肌电运动学的翻译.docx

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肌电运动学的翻译

肌电运动学

_____GaryKamen

肌电的运用，也就是对肌肉生物电活动的研究，这能够对控制和实施自主运动上提供非常有价值的信息，本章主要概述了生物力学上肌电的运用，在本章节中，我们主要归结以下几点：

确定肌纤维动作电位的基础以及肌电是如何在肌纤维之间传播的；

确定肌电信号的特性；

理解肌电电极的基本特征；

检测改变肌电信号的一些技术问题；

确定一些经常用来描述肌电信号的变量，并且回顾一些能够证明肌电是如何被用来解释人体运动的例子。

肌电信号的生理学

尽管研究者们必须了解许多技术特征去处理肌电信号，但是肌电本身却有一个生理起源，此章节的第一部分简要的解释了生理的一些概念，而这些概念强调了肌电信号的起源以及在肌纤维之间肌电是如何传播的。

肌纤维动作电位

为了产生肌肉力量，肌纤维必须收到来自运动神经元发出的冲动。

一旦运动神经元被中枢神经系统激活（CNS），这种生物电冲动就沿着运动神经元传播到每一个运动终板，在这种专门的神经突触中，会发生离子活动，从而最终会产生肌纤维动作电位（AP）。

静息膜电位

肌肉是可兴奋组织，即使在休息时，其生物电活动也能够被肌电记录，通常，在肌纤维内部有一个约负90毫伏的电位，这种电压梯度导致了钠离子，钾离子，以及氯离子等不同离子透过肌纤维膜聚集在一起，静息膜电位一般是9至15毫伏，与那些快肌纤维相比，其在慢肌纤维中更积极，很显然是因为钠离子具有更高的渗透性以及在细胞内有更多的钠离子活动（HammelsbeckandRathmayer1989;Wallinga-DeJongeetal.1985）.而且，静息膜电位没有必要固定，它能够被改变，例如在力量训练中（Mossetal.1983）.

动作电位

这种动作电位是神经的信息传递者，它要负责激活肌纤维的每一个部分，从而使得每一个肌小节产生肌肉力量，此过程是以肌纤维膜对钠离子的通透性发生变化开始的，因为这些钠离子相对来说在肌纤维的外部分布更集中些，任何通透性变化都会导致钠离子透过通透膜内流，最终足够的钠离子进入细胞使膜电位极性与原来相反，以至于肌纤维内部与细胞外相比为正极（大约30毫伏），随着膜内外电位电极逆转，膜对钾离子的通透性发生改变，引起钾离子流向细胞外，钾离子的大量外流至使细胞再度极化，并且储存了静息膜电位。

肌纤维动作电位的传播

为了确保肌纤维的激活，在临近神经肌肉接头的小环节处产生的动作电位必须要向周边部分传播。

通过这样一个被动的过程，动作电位沿着肌纤维周边每一个部分向神经肌肉接头处的两个相反方向传播，从而使整个肌纤维被电化激活。

随着动作电位的传播，以及临近的肌纤维区域被成功激活后，膜电位在随后的每一个肌纤维部分发生改变，由负极变到正极再到负极。

肌纤维更深层也需要被电化激活，因此，通过横管系统，动作电位也会传播到更深层领域，一些肌纤维的运动神经元的轴突比那些其他的稍长一些，因此，它在那些肌纤维中激活的时间也许会更长一点儿。

肌纤维的传导速度

传导的动作电位的速度变化率决定了肌电的许多特征，例如，动作电位以缓慢的速度移动，有助于表面肌电的低频部分，因此，清楚理解这些决定肌纤维以什么样的速度进行传导的因素是很重要的。

因为动作电位的产生是一种离子过程，动作电位沿着肌纤维的传导速度是取决于这些离子在什么样的比率中能够被改变。

随着这种代谢机制将钠离子积极主动的泵出肌纤维外部，这种被动过程的运动神经元的通透特性则决定了其变化率。

肌纤维传导速度的决定因素

在不同肌纤维中传导速度的不同能够被归因于肌纤维化学组织特性和构建特性的不同这两点，肌纤维动作电位的振幅在快肌纤维中更大一些。

而且快肌与慢肌的动作电位图形的不同，使得快肌的动作电位比相应的慢肌动作电位产生的更快一些（包括去极化和复极化），快肌纤维比慢肌纤维的传导速度更快，比起小的肌纤维，直径更大的肌纤维也会产生更大的动作电位（AndreassenandArendt-Nielsen1987）,部分原因是钠离子具有更大的速度。

衰退的肌纤维传导速度明显会慢一些（BuchthalandRosenfalck1958）。

增加肌纤维的长度试图降低其传导速度，这也许会导致肌纤维其他的构建变化（DumitruandKing1999）。

图8.1（略）运动神经元的动作电位始于肌纤维的兴奋

（1）。

此动作电位到达了所有由运动神经元支配的运动终板

（2）。

通过机电的处理加工，一条肌纤维的动作电位就产生了并沿着肌纤维的长度传导（3）。

被一个运动神经元激活的所有肌纤维的电位之和则产生一个运动单位的动作电位（4）。

该运动单位能够在皮下表层用专门测试生物信号的放大器记录（5）。

运动单位的动作电位

每一个运动神经元都支配着数百条肌纤维，但是在不同肌肉中，数量可能从十到几千变化不等，这种特性，被称作神经支配比，它是通过确定每一个运动神经元的肌纤维数量来计算的。

在单个运动单位里，虽然有些肌肉的肌纤维也许会分布较集中，但肌纤维一般被分布在整块肌肉中（Wind-horst,Hamm,andStuart1989）。

这种运动所形成的个体单位就是运动单位——一个运动神经元以及被此运动神经元支配的所有肌纤维。

这个运动单位的动作电位（MUAP）代表在此运动单位中所有被激活的肌纤维的电位总和，该运动单位的的动作电位（MUAP）的振幅部分是由神经支配比来确定的。

此外，肌纤维越多的运动单位其动作电位也越大。

然而，也会有一些用来描述运动单位的动作电位（MUAP）的图形是暂时离散的（图8.2）。

图8.2显示了每一条肌纤维的动作电位对肌电信号所起的作用大部分取决于肌纤维的深度；图中肌纤维5比肌纤维1产生的动作电位要小。

和运动神经元的终长度与直径一样，肌电信号的暂时性特征也是取决于电极—运动终板的距离。

在这里展示了两个运动单位，每一个运动单位的振幅就代表着单个肌纤维动作电位的代数和，总肌电信号就是所有的运动单位的总和。

运动单位的激活

肌肉力量产生于关节之间，是受大量肌肉运动所控制的，肌肉力量的产生是以一种过程来激活日益增加的运动单位开始的，而这种过程被称作募集。

为了产生任何肌肉运动，较小的运动单位首先被募集，随着力量增长的需要，紧接着再是较大的运动单位。

神经系统也控制着运动单位被激活的频率，这种对被激活运动单位的频率的定量研究被称作运动单位的释放或者爆发率。

随着运动单位以更快的速度释放，肌肉力量就会增加。

肌肉力量也能够以其他方式被改变，例如，在肌肉收缩的开始，当为了克服肢体移动的惰性也许会需要足够的努力时，运动单位也许会在两个短暂的潜伏期释放直到一种规律的激活率开始，这两种释放就是联体，联体可能比期望的---产生的力量更大（ClamannandSchelhorn1988）。

两个以及更多的运动单位同时在此过程中频繁的释放，这被称为同步化。

在肌肉力量产生的过程中，尽管运动单位同步化发生的次数比可能期望发生的次数似乎还要多，但它的精确程度并不清楚。

在完成像腕屈曲类的动作，我们应该试图激活其他的能够完成类似动作的肌肉（协同肌）。

腕屈曲也许能通过激活屈指深肌和浅屈指肌，尺侧腕屈肌以及桡侧腕屈肌，掌长肌以及其他的腕屈肌。

稍后在本章节中，我们将会展示出置于皮下表层的电极传感器作为对潜在的大量肌电活动的监测。

如果周边的肌肉完成了相似的动作，那么该活动就会被表浅的电极记录下来。

肌电信号的特征

在轻微的肌肉收缩中，单个运动单位也许会被激活，这在皮肤表层被记录，作为此运动单位的动作电位（MUAP），它紧随于电静息之后，直到此运动单位的下一次爆发开始。

随着期望力量的增加，其他运动单位也会被募集并且日益频繁的爆发。

在任何时候肌电信号都是所有积极的运动单位的混合电极之和，一个肌电信号的峰值也许是短时段分离的两个及两个以上的运动单位被激活的结果。

这表示信号有正负两部分，当此信号越过底线，一个运动单位的动作电位（MUAP）的正极阶段很可能会与其他运动单位的动作电位（MUAP）的负极阶段相平衡。

表面记录下来的肌电信号的振幅会随着研究中的任务，特定肌群以及许多其他特征变化而变化。

那么肌电信号的振幅自然也会随着肌肉收缩的强度的增加而增加。

然而，肌电信号的振幅与频繁爆发的力量并不呈线性关系。

而且，来自对抗肌群的共同收缩活动也许会需要正在被进行肌电记录的协同肌群的补偿活动。

因此，不能假定肌电活动的增加就是肌肉力量的相应增加（Redfern1992;Solomonow,Barattaetal.1990）关于肌电信号的振幅与力量的关系将在本章的后面讨论。

肌电信号的记录与获得

肌电活动能使用单极的或两极的记录设置被记录，在单极的记录中，一个电极首先被直接放置在肌肉上，第二个电极被放在中性的电极区，例如--------。

一般来说，虽然在静态收缩中（Ohashi1995,1997）以及在各种包括针状电极的临床调查中（Dumitru,King,andNandedkar1997,）对单极信号的记录运用频繁，但是与对两级信号的记录相比，单极信号则会产生更低频的反应以及更少的选择。

对单极信号的记录本身就不够稳定，并且对于测量非等长收缩也不是一个很好的选择，单极信号的记录适合H和T反射以及M波肌肉的评价，然而（Mineva，Dushanova,andGerilovsky1993）。

对两级信号（或者单个的不同的信号）的记录非常普遍，在对两极信号的肌肉设置中，两个电极一般被放在肌肉里或者是被叠加肌肉的皮肤上…….而第三个中性的或者是接地的电极被放在电流的中性区域，这种设置利用了一个微分放大器，这个放大器能够记录两种不同的电极。

因此，任何与这两种输入相似的信号都会被大大消弱，这种允许放大器去消弱这些相似信号的特性被称作共模抑制，并且这些与两种输入相似的信号被消弱的程度被描述为共模抑制比（CMRR），这些共模抑制比用线性的或者对数的标度都可以表示，一个好的商用的放大器也许会有一百分贝的共模抑制比，一个人通常能运用以下这种方程式，用分贝的尺度来表达共模抑制比。

CMRR（dB）=20log10CMRR（linear）（8.1）

这种共模抑制比是100000：

1图8.3略

图8.3肌电信号能够通过使用单极（a）信号或者两极（b）信号的设置来获得，然而一些应用也许会需要特定的放大器，例如两个不同的记录技术（c）。

在一个特定的实验室或者是特定环境中，也许会有大量的无线电频率以及来自电流输出、电灯和其他有线电信号的各种有线电，这些信号一般都是在50或者60赫兹中（取决于记录的位置），因此这些信号能够直接在肌电信号表现的频率范围内出现。

在其他频率中也会有周边的无线电信号出现，因为微分放大器会减弱出现在这个阶段的信号…….他们的影响被大大减小了，有例子表明了单极的和两极的记录会有价值，例如，在肌肉长度变化时，对肌纤维的几何特性的调查（Gerilovsky,Tsvetinov,Trenkova1989）。

放大增益的设置需要关注，如果肌电信号的振幅超过放大器的增益，此放大器就会被渗透，并且这种变形会以剪下物的形式出现（图8.4）。

当输出的振幅超过功率供应的范围就会出现剪下物，另一方面这种增益被设置的太低，在模拟数字转化之后，对信号的解决会很低。

理想的增益应该被设置成能让信号的振幅与模拟数字转换器范围相匹配的模式。

图8.4渗透的肌电放大器能产生变形被称作剪下物

电极的特性与几何学

各种各样的肌电电极都是可以得到的（图8.5）。

电极的选择取决于要进行的运动任务，研究问题的本质以及即将被记录的特定肌肉。

和对内在的细导线以及针状的电极的设计运用一样，本部分讨论了置于皮肤表层的肌电电极信号的运用，当前也注解了其他一些电极的设计。

表面电极

第一个肌电电极是简单的，其表面是用各种金属做成的。

包括银的，金的，不锈钢甚至是锡金的。

这些盘状的电极经常被临床应用，例如评价感觉器官和运动神经元的传导速度,F波，M波以及H反射（Oh1993）。

然而，使用这些表面电极可能会产生一些技术问题。

在皮肤的里层和外层通常有一个标准的30毫伏的电位差。

当皮肤被拉伸，电位就会下降到约25毫伏，并且导致的5毫伏变化差被作为运动伪差记录下来。

显然，这种由皮肤运动瞬间造成的运动伪差在记录理想的、可观的运动时会成为一个问题。

然而，这些运动伪差可以通过运用氯化银电极而频繁的降低（Webster1984），还可以通过轻轻的研磨皮肤，来降低透过皮肤表层的50千欧的标准阻抗，这些表面应用的电极在潜在的肌肉肌电活动中可以被作为监测器，但他们对于其他周边环境的无线电活动也是非常优质的电线。

因此，极间的的阻抗不得不被减弱以减小无线电活动。

当此电极被用于皮肤之后，可以安装一个阻抗计。

在应用电极之前，阻抗可以通过对皮肤精心的准备，除去死皮细胞以及美肤油，并且增加局部皮肤的血液流动，减小电缆距离，使用屏蔽电缆线，还有一起编织单个的电极电缆线也会有助于减小无线电的干扰。

一种成功的降低这些运动伪差的技术正安置在放大器的第一阶段，使其尽可能与极点位置靠近。

例如，在电缆绝缘体中的摩擦和运动能够产生运动伪差。

这些运动伪差可以通过在每一个电极中使用单位增益的操作放大器被减弱。

它被称作积极电极，这些装置将放大器安置在与表面传感器非常接近的地方（见图8.5）。

来自于第一阶段放大器的信号信噪比（SNR）会更大些，因此是更清晰的信号（Hagemann,Luhede,andLuczak1985;Johnsonetal.1977;Nishimura,Tomita,andHoriuchi1992）。

如果需要应用商用的一次性电极也可买到。

表面电极的局限

表面电极在记录深层肌肉和大肌肉的深层部分的的活动时作用有限，其被估计的有效记录范围是在皮肤表层的10到20mm之间（BarkhausandNandedkar1994;Fuglevandetal.1992）。

用它们去记录小肌肉的信号也是很困难的，因为很难辨别此信号是从潜在的肌肉还是从邻近的肌肉出现的。

这种串扰是个很严重的问题，在本章后面会被讨论。

有证据表明深层的运动单位可能会比表浅的运动单位要小，因此在记录那些更多，更大的需要糖分解的运动单位可能产生的偏差中，表面肌电的记录必须要被解释清楚（Lexelletal.1983）。

细导线电极

一种有助于记录更深层或更小肌肉的可供选择的程序就是运用细导线电极（Basmajianandstecko1962;Burgar,Valero-Cuevas,andHentz1997）。

这种设置一般包括两个直径很细的绝缘导线（直径大概75µｍ）而这种导线是一根中空的针管。

导线的顶端构成了记录的表面，-----------------，绝缘的地方从导线中去除，被去除的绝缘的数量越多，记录的容量也就越大。

这些导线的远端被弯曲折回以至于它们和针头能被插入肌肉。

在针头被插入之后，绝缘的数量被仔细的去除，只剩下导线作为记录的电极。

在实验期间既能被去除也可以被放在一边，并且导线的末端被连接到放大器上。

针电极

商用中有很多种可用的针电极，并且他们能够频繁的用来监测一个或多个单个的运动单位的活动，而不是混合肌肉的肌电活动。

同心电极包括一根小的导线，它被放在中空管的中间。

此电线是用环氧树脂制定的。

这跟针管然后以很小的角度（大约15度）被切端，剩下一个发光面，该发光面然后被两级套管的记录当作参照。

其他的电极设计

许多其他类型的肌电电极已经被设计用于不同的目的。

纵向排列电极是用来记录传播肌纤维动作电位的特征的（Masuda,Miyano,andSadoyama1985;Merletti,ferina,andGranata1999）。

多重的2-D排列电极包括9个或更多表面以坐标方格排列的电极，它是用来调查肌肉的构建特征的（ThusneyapanandZahalak1989）。

在大力量收缩期间，记录单个肌纤维的动作电位需要专门的电极。

在使用表面的多重排列电极去记录单个的动作电位时已经有一些很好的尝试（Rau,Disselhorst-Klug,andSilny1997）。

但是，表面探测器更倾向于探测接近皮肤表面的肌纤维。

来自于单个肌纤维的动作电位常常是用导线电极（刚才被描述的），多重电极（Kamenetal.1995;Sanders,Stalberg,andNandedkar1996）。

电极几何和电极的安置

我们不能过分强调纠正肌肉表面电极的放置的重要性，但是，显然电极一定要被放在潜在肌纤维的动作电位能够被记录到的位置。

一般来说，这意味着电极的放置要高度远离肌腱区域。

运动区域（神经参与的肌肉区域）对于测表面电极并不是一个很好的定位区域。

对于需要很多测试环节的研究，运动终板区域的电位能产生大量可变的肌电信号。

因为从神经肌肉功能来看，运动单位的动作电位（MUAPS）朝两个方向传播，在运动区域记录的信号会频繁的遭到一个来自微分放大器的影响，从而使其信号减弱，最终导致两端电极的肌电信号都会被取消。

对电极的标准定为能在各种资源中找到（LeVeauandAndersson1992;Zipp1982）。

然而，关于肌纤维的电极方向也是很重要的。

如果电极不是被平行放置在肌纤维中，信号的减弱可能会多达50%（Vigreux,Cnockaert,andPertuzon1979）。

肌电信号的频率也会受不平行放置的电极的影响。

因此，尽管肌纤维的有翼角度很难确定，但还是要努力把电极放置在与肌纤维平行处，解剖图可作为辅助工具（Cramkasman,andHoltz1998）。

极间几何

尽管肌电信号的振幅可能受到极间电极的距离——电极对之间的距离的影响其证据不够明确，但研究者发现当运用直径为7ｍｍ的表面电极记录区域时，大概60ｍｍ的极间距离能产生最大的肌电振幅（Vigreux,Cnockaert,andPertuzon1979）。

然而，最近Jonas,Bischoff,andConrad（1999）通过运用不同类型的表面电极，不同的记录区域以及不同的极间距离，对复合肌肉动作电位的振幅没有找到任何区别。

肌电的频率特性也会随着电极间距的改变，随着从电极中获得的更高的光谱频率被更紧密的放置在一起时，而顺应的改变。

（Bilodeauetal.1990;MoritaniandMuro1987）。

在定位肌电电极时，在任何条件都最好保持不变-------。

肌电信号处理

正如我们对肌电信号的理解在继续深入一样，无论在模拟和数字化电子产品上还是信号处理技术上的发展已经改变了我们处理和分析信号的方式，这一环节集中阐述了用来获得和过滤信号的最常用的技术，我们还能考虑到在处理肌电信号中的一些内在的技术问题。

应用模拟和数字滤波的应用

对固有频率的特性的认识以及对于无线电频率发出的噪声和来自任何生物信号的干扰的优势资源允许人们在关于即将运用的各种过滤技术方面做出一些决定.,对肌电信号频率的光谱图的分析表明几乎很少的信号是处在频率为10赫兹以下或者1000赫兹以上,的确对于表面的肌电信号,其信号频率的最上限甚至都比频宽限度要大,最高频率部分大概在400赫兹.内在的信号（记录在肌肉里面）包含更高的频率（GerlemanandCook1992）.因此,人们常常会建议运用设置为10赫兹的高通滤光片来获得表面电极信号.然而,在确定所要使用的准确带通特性上意见不一致,在记录之后可运用软件来处理进一步得到的数字信号.

模拟变数字的数据采集

肌电信号的固有频率特性的知识在选择抽样比时也很重要。

当然，必须要考虑尼奎斯特极限，要求它确实有一个至少为信号最高频率两倍的抽样比。

对于表面肌电信号，这一般要求至少1000个样本的抽样比，或者更高。

应该实施一个以尼奎斯特极限为标准的低通，反假频的滤波器以阻止高频的信号去扭曲真实的信号。

许多生产厂家提供50至60赫兹的陷波滤波器以减弱来自灯光或其他设备的无线电活动，然而也有大量的肌电活动在这些线频率上，结果，尽管信号看起来也许较清晰，但是肌电信号的重要部分也会随着这些陷波滤波器而被删除。

如果必要的话，应该使用技术而不是陷波滤波器来去除线频率的干扰。

这也许需要改变设备周围的环境，使用有选择的电极，改进接地配置或者改进皮肤电极的干扰。

肌电信号的影响

对肌电信号的大量影响最初是来自生理上和技术上的，为了确保正确解释，各种有助于表面肌电信号记录的知识来源都是必要的。

电极

正如先前所描述的那样，能够影响肌电信号的频率和振幅的电极特性包括电极的类型（表面，金属板，氯化银电极，内在的等等），电极的大小以及极间距，电极的配置（单极还是多级）也是一个重要的决定因素。

潜在的组织特性也会影响肌电信号。

一个差的皮肤电极界面会增加电极阻抗，导致更弱的信噪比。

相反，一个好的皮肤电极界面对于未放大的电极尤其重要，皮下脂肪的量也会影响肌电信号的记录。

一般而言，低水平的皮下脂肪是与更高的信噪比联系在一起的。

血液流通和组织的影响

在肌肉和表面电极之间的组织中有大的低通滤光影响。

结果，个体肌纤维的动作电位，尤其是那些更深层的纤维，其高频特性在表面会被稍微减弱，这种衰减是随着距离的加大以指数方式发生。

因此，即便是离肌纤维很小的距离，动作电位的高频特性也会被急剧减弱。

甚至是离肌纤维100µｍ远，也有约80%的信号力量会失去（AndreassenandRosenfalck1978）。

在肌肉收缩期间迅速增加的血液的流动也会引起低通滤光效应。

最终，很可能肌电信号会被一些与肌肉电活动无关的因素改变。

因为肌电信号能通过钠离子的变化而受到影响，此外，还有一些涉及到严重的疲劳，脱水，或者肌肉血液循环的中断的情形也会影响肌电。

肌肉的长度

在动力性收缩期间，我们对肌肉长度变化的理解上，已经通过Kawakami和其同事采取的超声波研究大大深入，（Itoetal.1998）。

肌纤维动作电位传播的速率随着肌纤维长度的变化而变化。

这被证明是肌纤维的传导速度随着肌肉长度的增加而下降（Morimoto1986）。

同样，动作电位的振幅随着日益增加的长度下降（Gerilovsky,Tsvetinov,andTrenkova1986;Hashimotoetal.1994），很可能是由于神经肌肉功能或肌纤维膜的形态学变化引起的（Kim,Druz,andSharp1985）。

而且，随着日益增加的肌肉长度将光谱朝向较低频率转变，其频率特性也会被影响（Oskada1987）。

肌电信号特性的这些变化只有一个原因，就是在动力性收缩期间很难解释信号。

肌肉深度

因为动作电位随着记录电极距离的增加衰退如此之快，对来自表面的更深层的肌纤维的记录则比更多对表皮肌肉的记录困难的多。

正如前面提到的，表面电极只记录这些来自于更加表浅的肌纤维信号。

而且有证据表明肌纤维类型可能会随着肌肉深度变化。

深层的肌纤维似乎有更多的慢肌纤维特性，因此他们以较小的力量被募集，然而，越表浅的肌纤维却有更多的快肌纤维，并在某种程度上以较大的肌肉力量被募集。

结果，表面肌电也许会偏向支持更表浅的快肌纤维，这些纤维也能产生较大的动作电位。

肌电信号的分析与解释

肌电信号的特性两个重要特性是振幅和频率。

振幅作为肌肉活动重要性的一个指标，它主要通过增加激活运动单位的数量以及激活的频率，或者爆发速度（释放速度）来产生的，信号的频率也会被这些因素影响。

通过激活更多的运动单位，尖峰电压的数量和表面肌电信号的旋转会增加，爆发速度的改变也会使得肌电的频率特性发生变化。

然而，正如前面讨论的那样，大量其他因素，无论在技术上还是在生理上也都会影响到肌电信号的振幅和频率。

在此部分，我们讨论用来分析肌电的主要变量并提供一些关于这方面解释的信息。

肌电的振幅

用来界定肌电振幅的主要变量，包括峰间值（p-p）振幅，平均纠正振幅，均方根振幅，（肌电图的）线性包迹，以及