肌电图

肌电图（EMG）是一种用于评估和记录骨骼肌产生的电活动的电诊断医学技术。[1] 使用称为肌电图的仪器执行EMG，以产生称为肌电图的记录。 当肌细胞[2]被电或神经激活时，肌电图可以检测它们产生的电位。 可以对信号进行分析以检测医学异常，激活水平或募集顺序，或者分析人或动物运动的生物力学。


步态终止时的肌电图，左下是原始肌电图，右是矫正模式

内容
1 医疗用途
2 技术
2.1 皮肤准备和风险
2.2 表面和肌内肌电图记录电极
2.3 最大自愿收缩
2.4 其他测量
2.5 EMG信号分解
2.6 EMG信号处理
2.7 局限性
2.8 电气特性
3 程序结果
3.1 正常结果
3.2 异常结果
4 历史
5 研究
6 参考

医疗用途
EMG测试具有多种临床和生物医学应用。 EMG用作诊断神经肌肉疾病的诊断工具，或用于研究运动机能学和运动控制障碍的研究工具。 EMG信号有时用于引导肉毒杆菌毒素或苯酚注射到肌肉中。 EMG信号也用作假肢设备（如假肢，手臂和下肢）的控制信号

为了避免术后肌松残余（PORC），可以使用加速器来对全麻中的神经肌肉进行神经肌肉监测，以免发生术后肌松残余（PORC）。[3] [4] [5] [6]

除了在某些纯粹的原发性肌病情况下，EMG通常与另一种电诊断医学测试一起执行，该测试可测量神经的传导功能。这称为神经传导研究（NCS）。当四肢疼痛，脊髓神经受压无力或担心其他神经系统损伤或失调时，通常应使用针EMG和NCS。[7]脊髓神经损伤不会引起颈部，中背疼痛或下背部疼痛，因此，没有证据表明EMG或NCS可用于诊断轴向腰痛，胸痛或颈椎痛的原因。[7]针肌电图可以帮助诊断神经受压或损伤（例如腕管综合症），神经根损伤（例如坐骨神经痛）以及其他肌肉或神经问题。较不常见的医学疾病包括肌萎缩性侧索硬化症，重症肌无力和肌肉营养不良。

技术
皮肤准备和风险
插入针状电极之前的第一步是皮肤准备。这通常涉及简单地用酒精垫清洁皮肤。

针电极的实际放置可能很困难，并且取决于许多因素，例如特定的肌肉选择和该肌肉的大小。正确放置EMG针对于准确显示目标肌肉非常重要，尽管EMG在浅表肌肉上更有效，因为它无法绕过浅表肌肉的动作电位并无法检测到更深的肌肉。同样，一个人体内的脂肪越多，EMG信号就越弱。放置EMG传感器时，理想的位置是在肌肉的腹部：纵向中线。肌肉的腹部也可以被认为是在肌肉的运动点（中间）和肌腱插入点之间。[8]

心脏起搏器和植入式心脏除颤器（ICD）在临床实践中越来越多地使用，并且没有证据表明对使用这些设备的患者进行常规电诊断研究会构成安全隐患。然而，存在理论上的关注，即神经传导研究（NCS）的电脉冲可能会被设备错误地感应到，并导致设备的意外抑制或触发输出或重新编程。通常，刺激部位离起搏器和起搏导线越近，产生足够幅度的电压来抑制起搏器的机会就越大。尽管存在此类担忧，但常规NCS尚无直接或延迟的不良反应报道。[9]

没有已知的禁忌症可以对孕妇进行EMG或NCS注射。另外，在文献中没有报道来自这些程序的并发症。同样，尚未报道在怀孕期间进行诱发电位测试会引起任何问题。[9]

常规警告患有淋巴水肿的患者或有淋巴水肿风险的患者，避免在患肢中进行经皮手术，即静脉穿刺，以防止淋巴水肿或蜂窝织炎的发展或恶化。尽管存在潜在风险，但静脉穿刺后发生此类并发症的证据有限。没有关于在淋巴水肿或先前的淋巴结清扫术中进行的与EMG相关的蜂窝织炎，感染或其他并发症的报道。但是，鉴于淋巴水肿患者未知的蜂窝织炎风险，在淋巴水肿区域进行针头检查时应谨慎行事，以免发生并发症。在患有严重水肿和皮肤绷紧的患者中，针电极刺穿皮肤可能会导致浆液长期流泪。此类浆液的潜在细菌介质和皮肤完整性的破坏可能会增加蜂窝织炎的风险。在进行之前，医师应权衡进行研究的潜在风险与获得所获得信息的需求。[9]

表面和肌内肌电图记录电极
肌电图有两种：表面肌电图和肌内肌电图。表面肌电图通过记录皮肤上肌肉上方表面的肌肉活动来评估肌肉功能。表面电极只能提供有限的肌肉活动评估。表面肌电图可以通过一对电极记录，也可以通过更复杂的多个电极记录。需要多个电极，因为EMG记录显示两个单独电极之间的电位差（电压差）。这种方法的局限性在于，表面电极记录仅限于浅表肌肉，受记录位置皮下组织深度的影响，根据患者的体重，皮下组织的深度可能变化很大，并且无法可靠地区分相邻肌肉的放电。

肌内肌电图可以使用多种不同类型的记录电极进行。最简单的方法是单极针状电极。这可以是一根细丝，以表面电极为参考插入到肌肉中。或将两条细线插入彼此相对的肌肉中。最常见的细线录音用于研究或运动机能学研究。诊断性单极EMG电极通常呈脑岛状，且足够坚硬以穿透皮肤，只有尖端暴露时使用表面电极作为参考。注射治疗性肉毒杆菌毒素或苯酚的针头通常是使用表面参考的单极电极，但是，在这种情况下，皮下注射针的金属轴（脑岛经过修饰，只露出针尖）既用于记录信号，又用于注入。同心针电极的设计稍微复杂一些。这些针头有一根细丝，嵌在一层充满皮下注射针头针筒的脑岛层中，该针头有一个裸露的杆身，该杆身用作参比电极。细线的裸露末端用作有源电极。由于这种配置，从同心电极记录的信号趋向于比从单极电极记录的信号趋向于更小，并且它们更能抵抗来自组织的电伪像，并且测量趋于更加可靠。但是，由于杆身在整个长度上都暴露在外，因此浅表肌肉活动会污染更深层肌肉的记录。单纤维EMG针状电极设计成具有非常小的记录区域，并允许区分单个肌纤维的放电。

为了进行肌内肌电图，通常将单极或同心针电极穿过皮肤插入肌肉组织。然后将针移动到松弛肌肉内的多个位置，以评估肌肉中的插入活动和静止活动。正常的肌肉在受到针头运动的刺激时会出现短暂的肌纤维活化爆发，但是这种持续时间很少超过100毫秒。肌肉中休息活动的两种最常见的病理类型是束缚和颤动电位。潜在的絮凝是肌肉内运动单元的非自愿激活，有时肉眼可以通过肌肉抽搐或通过表面电极看到运动单元。但是，仅通过针肌电图可以检测到纤颤，通常代表着神经或肌肉疾病，代表着单个肌纤维的孤立活化。通常，纤颤是由针头运动（插入活动）触发的，并在运动停止后持续数秒或更长时间。

在评估休息和插入活动后，肌电图仪评估自愿收缩过程中肌肉的活动。判断所得电信号的形状，大小和频率。然后将电极缩回几毫米，并再次分析活性。有时重复进行一次，直到收集到10–20个电动机单元的数据，以便得出有关电动机单元功能的结论。每个电极轨迹仅给出整个肌肉活动的非常局部的图像。由于骨骼肌的内部结构不同，因此必须将电极放置在各个位置以获得准确的研究结果。

单纤维肌电图评估运动单元内单个肌肉纤维的收缩之间的延迟，是对由药物，毒药或重症肌无力等疾病引起的神经肌肉接头功能障碍的灵敏测试。该技术很复杂，通常仅由经过特殊高级培训的人员执行。

Surface EMG用于多种设置。例如，在物理治疗诊所，使用表面肌电图监测肌肉的激活，并且患者具有听觉或视觉刺激，以帮助他们了解何时激活肌肉（生物反馈）。回顾2008年发表的有关表面肌电图的文献，得出结论，表面肌电图可能有助于检测神经肌肉疾病的存在（C级，III类数据），但是没有足够的数据支持其用于区分神经性和神经性疾病。肌病性疾病或用于特定神经肌肉疾病的诊断。肌电图可能有助于进一步研究与小儿麻痹症后综合征和强直性肌营养不良症的机电功能相关的疲劳（C级，III级数据）。[9]近年来，随着体育技术的兴起，sEMG已成为教练们关注的领域，以减少软组织损伤的发生率并提高运操作的表现。硅谷的一家初创公司Athos率先成为唯一一家将其测量结果与医学级sEMG系统进行验证的方法，其准确性和可靠性得到验证。

美国某些州限制非医师使用针头肌电图的性能。新泽西州宣布不能将其委托给医生的助手。[10] [11]密歇根州已通过立法，说针肌电图是医学实践。[12]仅在神经病学，临床神经生理学，神经肌肉医学，物理医学和康复方面的住院医师和研究金计划中，才需要使用EMG诊断医学疾病的特殊培训。耳鼻喉科的某些专科医师接受了对胸肌的肌电图的选择性培训，泌尿科，妇产科的妇科专科医师对进行了控制肠和膀胱功能的肌电进行了肌电图训练。

最大自愿收缩
EMG的一项基本功能是观察肌肉的激活状态。可以确定的最常见方法是对被测肌肉进行最大自愿收缩（MVC）。[13]

机械测量的肌肉力量通常与肌电信号激活肌肉的度量高度相关。最常见的是使用表面电极进行评估，但是应该认识到，这些电极通常仅记录在紧邻表面的肌肉纤维中。

取决于应用，通常使用几种用于确定肌肉激活的分析方法。使用平均肌电图激活或峰值收缩值是一个有争议的话题。大多数研究通常使用最大自愿收缩作为分析峰值力量和目标肌肉产生的力量的一种手段。根据该文章，峰值和平均矫正肌电测量：应该使用哪种数据缩减方法来评估核心训练锻炼？[14]得出结论，“平均矫正肌电数据（ARV）在测量肌肉活动时的可变性明显较小因此，这些研究人员建议“在评估核心锻炼时，应将ARV EMG数据记录在EMG峰值测量值旁边。”为读者提供两组数据将提高有效性的研究，并有可能根除研究中的矛盾。[15] [16]

其他测量
EMG也可用于指示肌肉的疲劳程度。 EMG信号的以下变化可以表示肌肉疲劳：信号平均绝对值的增加，肌肉动作电位的幅度和持续时间的增加以及向低频的总体偏移。监测不同频率的变化会改变使用EMG确定疲劳程度的最常见方法。较低的传导速度可使较慢的运动神经元保持活跃。[17]

运动单位定义为一个运动神经元及其所支配的所有肌肉纤维。当运动单元触发时，冲动（称为动作电位）会沿着运动神经元传递到肌肉。神经与肌肉接触的区域称为神经肌肉接头或运动终板。在动作电位跨过神经肌肉接头传递之后，在该特定运动单元的所有神经支配的肌肉纤维中引起动作电位。所有这些电活动的总和称为运动单位动作电位（MUAP）。来自多个运动单元的这种电生理活动通常是在EMG期间评估的信号。运动单位的组成，每个运动单位的肌肉纤维数量，肌肉纤维的代谢类型以及许多其他因素会影响肌电图中运动单位电位的形状。

神经传导测试也经常与肌电图同时进行，以诊断神经系统疾病。

一些患者会发现该过程有些痛苦，而另一些患者在插入针头时只会感到少量不适。手术后一两天，被测肌肉可能会略有酸痛。

EMG信号分解
EMG信号基本上由来自多个电机单元的叠加运动单元动作电位（MUAP）组成。为了进行全面分析，可以将测得的EMG信号分解成其组成MUAP。来自不同运动单元的MUAP往往具有不同的特征形状，而来自同一电机单元的同一电极记录的MUAP通常相似。尤其是，MUAP的大小和形状取决于电极相对于纤维的位置，因此，如果电极移动位置，MUAP的大小和形状可能会有所不同。尽管已经提出了许多方法，但是EMG分解并不简单。

肌电信号处理
整流是将原始EMG信号转换为单极性（通常为正极）的信号。整流信号的目的是确保由于原始EMG信号具有正负分量，因此信号不会平均为零。使用两种类型的整流：全波和半波整流。[18]全波整流将基线以下的EMG信号添加到基线以上的信号，以使条件信号全部为正。如果基线为零，则相当于获取信号的绝对值。[19] [20]这是首选的整流方法，因为它可以节省所有信号能量以进行分析。半波整流会丢弃EMG信号中低于基线的部分。这样，数据的平均值不再为零，因此可以用于统计分析。

局限性
临床环境中使用的针肌电图具有实际应用，如帮助发现疾病。但是，针头肌电图有局限性，因为它确实涉及肌肉的主动激活，因此在不愿或无法合作的患者，儿童和婴儿以及瘫痪患者中，信息不足。由于与表面EMG相关的固有问题，表面EMG的应用可能受到限制。脂肪组织（脂肪）会影响EMG记录。研究表明，随着脂肪组织的增加，直接在表面以下的活动肌肉减少。随着脂肪组织的增加，直接在活动肌肉中心上方的表面肌电信号的振幅降低。与体脂较低的人相比，EMG信号记录通常对于那些具有较低身体脂肪和较柔顺皮肤的人（例如年轻人）更为准确。当来自一根肌肉的EMG信号干扰另一根受测肌肉信号的可靠性时，就会发生肌肉串扰。表面肌电图由于缺乏深层肌肉的可靠性而受到限制。深部肌肉需要侵入且疼痛的肌内导线才能获得EMG信号。表面肌电图只能测量浅表肌肉，即使那样，也很难将信号范围缩小到单个肌肉。[21]

电气特性
电源是大约–90 mV的肌膜电位。[22]根据所观察的肌肉，测得的EMG电位范围小于50μV至30 mV。

肌肉运动单位射击的典型重复频率约为7–20 Hz，这取决于肌肉的大小（眼部肌肉与座部（臀肌）肌肉），先前的轴突损伤和其他因素。在450至780 mV的范围内，可能会损坏运动单元[23]。

程序结果
正常结果
静止的肌肉组织通常不活动。在因针插入刺激而引起的电活动消退之后，肌电图仪应未检测到异常的自发活动（即，静息的肌肉应保持电沉默，但神经肌肉接头的区域除外，即正常情况下） ，非常自发）。当肌肉自愿收缩时，动作电位开始出现。随着肌肉收缩强度的增加，越来越多的肌肉纤维产生动作电位。当肌肉完全收缩时，应该出现一组无序的动作电位，其动作速率和幅度各不相同（完整的募集和干扰模式）。

结果异常
EMG的发现随疾病的类型，问题的持续时间，患者的年龄，患者可以合作的程度，用于研究患者的针电极的类型以及抽样误差而变化。单个肌肉内研究区域的数量和整体肌肉数量的研究。解释EMG的发现通常最好由个人进行，既要了解患者的病史和体格检查，又要结合其他相关诊断研究的结果，包括最重要的是神经传导研究，以及在适当时进行影像学研究，例如MRI和超声检查，肌肉和神经活检，肌肉酶和血清学检查。

结果异常可能是由以下疾病引起的（请注意，这并非详尽列表，可能会导致EMG研究异常）：

肌肉疾病：

炎性肌病
多发性肌炎
皮肌炎
包涵体肌病
先天性肌强直
肌肉营养不良：
杜兴肌营养不良症
贝克尔肌营养不良症
面肩肱型营养不良
肢带肌营养不良
中央核肌病
强直性肌营养不良
线粒体肌病
神经肌肉接头疾病：

重症肌无力
兰伯特-伊顿肌无力综合征
肉毒中毒
有机磷中毒
高镁血症
低钙血症
神经疾病：

腕管综合症
肘部尺神经病变
桡神经麻痹（星期六晚上麻痹）
腓神经麻痹
糖尿病性神经病
酒精相关的神经病
营养神经病
淀粉样神经病
AIDP
CIDP
贝尔麻痹
喉神经病
阴部神经病变
股神经病
坐骨神经病
胫神经病
跗管综合征
Charcot-Marie-Tooth综合征
带状疱疹神经病
动眼，面部，迷走神经，三叉神经，舌咽，脊柱副神经病
面肌痉挛
多灶性运动神经病
腋神经病
长胸神经病
肩胛上神经病变
毒性神经病
药物诱发的神经病
丛神经疾病：

神经性肌萎缩症（特发性臂丛神经炎）
创伤性臂丛神经病
腰骶神经根病
平山病
根源疾病：

颈，胸，腰，神经根病
椎管狭窄
蛛网膜炎
轻脑膜疾病
运动神经元病

肌萎缩性侧索硬化
西尼罗河病毒
脊髓灰质炎
肯尼迪综合症（脊柱球肌萎缩症）。

历史
关于肌电图的第一个有文件记录的实验始于弗朗切斯科·雷迪（Francesco Redi）的作品，始于1666年。雷迪发现了由高度专业化的电鳐鱼（Electric Eel）产生的肌肉。到1773年，沃尔什（Walsh）已经能够证明鳗鱼的肌肉组织可以产生电火花。 1792年，路易吉·加尔瓦尼（Luigi Galvani）撰写了题为《 Motu Musculari Commentarius》中的De Viribus Electricitatis的出版物，其中作者证明了电可以引发肌肉收缩。六十年后的1849年，Emil du Bois-Reymond发现在自主的肌肉收缩过程中也可以记录电活动。这项活动的第一次实际记录是由Marey在1890年进行的，他也引入了肌电图。 1922年，加瑟（Gasser）和埃尔兰格（Erlanger）使用示波器显示肌肉的电信号。由于肌电信号的随机性，只能从其观察中获得大致信息。从1930年代到1950年代，检测肌电信号的能力稳步提高，研究人员开始更广泛地使用改良的电极来研究肌肉。 AANEM成立于1953年，是几个活跃的医学学会之一，对促进该技术的科学和临床应用特别感兴趣。表面肌电图（sEMG）用于治疗更具体的疾病的临床用途始于1960年代。 Hardyck和他的研究人员是最早使用sEMG的医生（1966年）。在1980年代初期，Cram和Steger提出了一种使用EMG传感设备扫描各种肌肉的临床方法。[24]

1954年7月12日，梅奥诊所医学科学EMG实验室。埃文·施密特（Ervin L Schmidt）坐在椅子上，温德斯海姆（Mildred Windesheim）的手臂握住电极。
在1950年代初期，在明尼苏达州罗彻斯特市梅奥诊所的研究开始于医学博士Edward H. Lambert博士（1915年至2003年）的指导下。兰伯特博士，“被称为“肌电图之父...” [25]，在他的研究技术人员的帮助下，自学成才的电气工程师欧文·施密特（Ervin L Schmidt）开发了一种可以从肌电图实验室中移出的机器，相对容易使用。由于示波器当时没有“存储”或“打印”功能，因此宝丽来相机通过铰链固定在正面，可以同步拍摄扫描照片。由于Mayo对营销他们的发明没有兴趣，因此Schmidt先生继续在自己的地下室开发了数十年，并以ErMel Inc.的名义出售了这些发明。

直到1980年代中期，电极中的集成技术才足够先进，可以批量生产所需的小型轻量级仪器和放大器。当前，许多合适的放大器是可商购的。在1980年代初期，可以产生产生所需微伏范围信号的电缆。最近的研究使人们对表面肌电图记录的特性有了更好的了解。在临床或运动学研究中，越来越多地使用表面肌电图来记录浅表肌肉，其中肌内电极用于研究深部肌肉或局部肌肉活动。

有许多使用EMG的应用程序。 EMG在临床上用于诊断神经系统和神经肌肉问题。步态实验室和接受过生物反馈或人体工程学评估培训的临床医生将其用于诊断。 EMG还用于许多类型的研究实验室，包括涉及生物力学，运动控制，神经肌肉生理学，运动障碍，姿势控制和物理疗法的实验室。

研究
EMG可用于感测没有运动的等距肌肉活动。这使得可以定义一类微妙的静止手势来控制界面，而不会引起注意，也不会破坏周围环境。这些信号可用于控制假体或用作电子设备（如移动电话或PDA）的控制信号。

EMG信号已成为飞行系统的控制目标。位于加利福尼亚州莫菲特菲尔德（Moffett Field）的NASA艾姆斯研究中心的人类感知小组（Human Senses Group）寻求通过将人直接连接到计算机来改进人机界面。在此项目中，使用EMG信号代替机械操纵杆和键盘。 EMG还被用于“可穿戴座舱”的研究，该座舱使用基于EMG的手势与基于护目镜的显示器一起操纵飞行所需的开关和操纵杆。

清语音识别通过观察与语音相关的肌肉的EMG活动来识别语音。它的目标是在嘈杂的环境中使用，可能对没有声带的人和失语症患者有帮助。

EMG还被用作计算机和其他设备的控制信号。基于EMG Switch的接口设备可用于控制移动物体，例如移动机器人或电动轮椅。[26]这对于无法操作操纵杆控制的轮椅的个人可能会有所帮助。表面肌电图记录也可能是某些交互式视频游戏的合适控制信号。[27]

在1999年，一个称为Echidna的EMG程序被用于使一个患有综合症的人能够向计算机发送消息。 Control Bionics开发的该程序现在称为NeuroSwitch，它使残障人士能够通过文本，电子邮件，SMS，计算机生成的语音进行通信，并控制计算机游戏和程序，以及通过互联网控制Anybots远程呈现机器人。

涉及微软，西雅图华盛顿大学和加拿大多伦多大学的一个联合项目，已经探索使用手势的肌肉信号作为接口设备。[28]基于这项研究的显露已于2008年6月26日提交。[29]

在2019年9月，Facebook购买了一家名为CTRL-labs的初创公司，该公司正在开发EEG [30]

另见
Chronaxie
Compound muscle action potential
Electrical muscle stimulation
Electrodiagnostic medicine
Electromyoneurography
Magnetomyography
Nerve conduction study
Neuromuscular ultrasound
Phonomyography
参考
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Electromyography at the US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
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