隨著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的出現(xiàn)，從實際應(yīng)用中獲取數(shù)據(jù)從未如此簡單、準確或可靠。一旦采集，就可以同樣輕松地檢查和分析數(shù)據(jù)文件。在某些應(yīng)用程序中，數(shù)據(jù)幾乎不需要分析。只需查看獲取的數(shù)據(jù)即可顯示所需的信息。在其他應(yīng)用中，您必須分析獲取的數(shù)據(jù)以得出所需或有意義的信息。

肌電圖（EMG）是后一種應(yīng)用的一個例子。當肌肉收縮時，會產(chǎn)生小電勢。當表面電極放置在肌肉上時，可以感知這種肌肉活動潛力。電極檢測到的信號被放大并用儀器記錄，稱為肌電圖。對于研究人員來說，肌電圖信號“按原樣”幾乎毫無意義。然而，當分析信號時，可以得出肌肉所做的功的度量，稱為活動指數(shù)。在實踐中，特定肌肉的活動指數(shù)被確立為基準。然后將該基準與同一肌肉的另一個活動指數(shù)進行比較，但在不同的條件下（例如疲勞后或給藥后等）產(chǎn)生。這種比較使活動指數(shù)正?；?，并提供了一種測量疲勞或藥物對肌肉的影響的方法。用于分析采集的EMG信號的主要工具是整流和積分功能。

DATAQ Instruments的WinDaq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高級CODAS波形分析選項包含本應(yīng)用筆記中用于分析的整流和積分功能。

通過集成解決問題

積分是一種數(shù)學(xué)工具，用于獲得曲線下的面積。在科學(xué)技術(shù)中確定曲線下面積的應(yīng)用很多。例如，假設(shè)我們有兩個通用波形，如圖1的頂部通道所示，我們需要知道哪個波形包含更多的能量。您能通過考慮它們的物理外觀來確定哪個波形包含更多能量嗎？左邊的波形比右邊的要高得多，但是要薄得多。相反，右邊的波形比左邊的波寬得多，但沒有那么高。那么哪個波形包含的能量更多呢？找出答案的唯一可靠方法是將兩個波形積分以確定曲線下的面積。圖1的底部通道顯示了積分后的兩種波形。在這方面，積分被用作比較工具。曲線下面積最大的波形也包含最多的能量。在我們的示例中，左側(cè)的波形包含更多的能量，因為它的峰值積分值大于右側(cè)的波形。

圖 1— 兩個通用波形在頂部通道中以原始狀態(tài)顯示，在底部通道中顯示為積分波形。請注意，左側(cè)的積分波形具有較大的峰值積分值，這意味著它比右側(cè)的波形包含更多的能量。沒有整合，這種決心就不明顯。

曲線下面積計算得出的單位與任何面積計算得出的單位相同。例如，一塊 85 英尺寬、170 英尺長的土地面積為14，450 英尺?英尺，或簡稱為平方英尺。以曲線為界的區(qū)域也不例外。表示伏特作為時間函數(shù)（以秒為單位）的波形在積分時將攜帶伏特?秒單位。

肌電圖應(yīng)用

從肌電圖波形導(dǎo)出活動指數(shù)是積分的特定應(yīng)用。以下示例說明了如何將高級CODAS的整流和積分功能應(yīng)用于EMG通道以導(dǎo)出活動指數(shù)。圖2所示的肌電圖信號是從連接到一對相距幾厘米的表面電極的生物電放大器獲得的。信號是通過安裝在東芝便攜式個人計算機中的WinDaq數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的。生物電放大器的輸出通過選件 01 模塊連接到WinDaq板的輸入端，并使用WinDaq采集軟件的實時交互式程序功能施加 1000 的總增益。每秒 1000 個樣本的采樣率提供了優(yōu)于 100Hz 的響應(yīng)。這類似于使用筆式示波圖記錄儀可以實現(xiàn)的最佳響應(yīng)。圖2顯示了應(yīng)用壓縮系數(shù)為16的采集的EMG信號，相當于將圖表記錄儀的紙張速度減慢了16倍。

圖 2— 通過皮膚表面電極在二頭肌上相距幾厘米的原始肌電圖信號獲取。除了肌肉收縮的持續(xù)時間和強度外，波形在這種狀態(tài)下傳達的有意義的信息很少。

圖 3— 通道 2 和 3 顯示了活動指數(shù)波形。通道 2 顯示啟用了采樣/保持的活動索引，而通道 3 顯示禁用采樣/保持的活動索引。

從原始信號（如圖2所示）可以推導(dǎo)出絕對值或全波整流波形。將絕對值函數(shù)應(yīng)用于波形會將信號的負部分折疊到零參考值以上，以連接信號的正半部分。在這種情況下，全波整流是可取的，因為我們有興趣了解波形所包含的總能量（正能量和負能量）。應(yīng)用半波整流將導(dǎo)致僅正能量或僅負能量評估。

完成此操作后，您可能會注意到基線中出現(xiàn)嘈雜。這種噪聲是典型的EMG波形，應(yīng)在積分前消除。我們的下一步是消除這種基線噪聲，并實現(xiàn)信號的標準或正常形式。這可以做到這一點，以便隨后與其他歸一化信號的比較將揭示肌肉性能的差異，而不是由于噪音水平引起的差異。通過將整流信號移到零參考以下（剛好足以將噪聲帶淹沒在零以下），在基線處重新建立零，然后對重新歸零的信號進行正半波整流，可以消除不需要的基線噪聲。通過對該重新歸零的信號進行正半波整流，零參考線以下的所有信號部分（噪聲）將被阻擋。需要注意的是，這一步對于集成來說確實不是必需的。高級CODAS的集成功能直接支持整流，但不顯示整流信號作為中間結(jié)果。我們提出整流信號的原因是記錄肌電圖分析中涉及的步驟。

圖3的頂部通道說明了我們的目標，即從原始輸入信號得出的活動指數(shù)波形。該波形從 0 到 0.1 毫伏?秒縮放，峰值為 0.07824 毫伏?秒，并且在任何 100 毫秒間隔處具有與原始信號直接相關(guān)的離散值，噪聲較小。積分每 100 毫秒（或每 100 個樣本）復(fù)位一次，復(fù)位功能啟用前的“采樣/保持”。

采樣/保持功能將先前積分的值保存在顯示屏上，直到計算并顯示下一個整數(shù)值。它還屏蔽了集成波形的復(fù)位轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生整潔的階躍式直方圖顯示。如果禁用采樣/保持功能，則顯示重置過渡。圖3的頂部通道顯示了禁用采樣/保持的集成EMG波形。請注意顯示的重置過渡如何使顯示混亂。如您所見，啟用采樣/保持功能的優(yōu)點是它使集成波形更易于解釋。啟用采樣/保持的缺點是，它將原始輸入波形的積分波形延遲一個周期。這是因為采樣/保持功能需要知道積分的值，然后才能將顯示保持在此值。由于我們只對峰值積分值感興趣，因此這種延遲影響不大，因此首選整潔的顯示。

就其本身而言，一個集成的肌電圖波形在評估肌肉活動方面幾乎沒有價值。然而，與類似評估的肌電圖波形相比，很容易分辨出哪種情況代表肌肉完成的最大工作量。如果您對峰值整數(shù)以外的分析感興趣，則可以應(yīng)用WinDaq強大的統(tǒng)計功能來進一步分析和解釋波形數(shù)據(jù)。統(tǒng)計函數(shù)從波形中獲取統(tǒng)計信息，例如：波形中包含的數(shù)據(jù)點數(shù)、平均值、標準偏差、最小值、中值、最大值、均方根、總和、平方和、方差和偏度。

審核編輯：郭婷