用超聲圖結(jié)合肌電圖評估肌肉疲勞的方法研究

牛英鵬

摘要：目的 探索用肌肉超聲圖（SMG）檢測肌肉疲勞變化特征的新方法。方法 用SMG檢測受試者肱二頭肌做等長收縮至疲勞過程中圍度的變化，同步記錄表面肌電圖（SEMG）信號做為對照，結(jié)合肌電信號的均方根（RMS）和中心頻率（MDF）變化檢測肌肉的疲勞。結(jié)果 表面肌電RMS隨時間呈線性增加變化（2.9±1.9%/s），而MDF呈線性減少變化（0.60±0.26 Hz/s）。用超聲圖檢測出肌肉疲勞時厚度呈持續(xù)性增加，但與時間不呈線性關(guān)系。在起始8.1±2.1s有一個快速增加階段，平均變化率為0.30±0.19％/s，隨后增幅減慢，變化率為0.067±0.024％/s，一直持續(xù)到收縮后20s。在肌肉收縮20s時的變化率為3.5±1.6％/s。結(jié)論 使用SMG檢測肌肉形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化可為表面肌電評估肌肉疲勞提供有力的補(bǔ)充信息。

關(guān)鍵詞：肌肉疲勞；超聲圖（SMG）；肌電圖（EMG）

中圖分類號：G804.21文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1007-3612(2008)02-0205-03

肌肉疲勞是由運(yùn)動引起的肌肉最大隨意收縮力量減小的現(xiàn)象，在運(yùn)動訓(xùn)練和日常生活中經(jīng)常發(fā)生。它大致可分為兩種類型：1） 中樞性疲勞，疲勞發(fā)生的部位在腦細(xì)胞和運(yùn)動神經(jīng)元，前者表現(xiàn)為中樞抑制性遞質(zhì)增多、皮層細(xì)胞興奮性減弱、發(fā)放神經(jīng)沖動頻率減慢。后者表現(xiàn)為當(dāng)代謝產(chǎn)物堆積時，可使第3．4類傳入神經(jīng)沖動增強(qiáng)、許旺氏細(xì)胞興奮性增高，從而引起運(yùn)動神經(jīng)元發(fā)放沖動減慢，工作能力下降。2） 外周性疲勞，疲勞發(fā)生的部位及表現(xiàn)可能為神經(jīng)-肌肉接點(diǎn)前膜乙酰膽堿分泌量不足的"突觸前衰竭"或不能迅速水解而導(dǎo)致后膜處于持續(xù)去極化狀態(tài)、肌細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)改變、興奮-收縮解偶聯(lián)和肌肉收縮蛋白結(jié)構(gòu)和機(jī)能異常等［1］。探索肌肉疲勞的機(jī)制、評價肌肉疲勞的程度、尋找改善肌肉疲勞的方法對提高訓(xùn)練效果、增強(qiáng)運(yùn)動競技水平具有重要作用。目前，用于評價肌肉疲勞的方法有很多，包括生理指標(biāo)測定、自我感覺和一般觀察法等。例如攝氧量、心率、肌力、表面肌電（SEMG）［2，3］等的測定就是較為常用的測試手段。

肌肉的疲勞是肌肉活動時的一種進(jìn)行性過程，而不是某一個時間點(diǎn)上的功能減退。在疲勞的發(fā)展過程中監(jiān)測生理學(xué)指標(biāo)的瞬時變化情況是非常重要的。表面肌電圖（SEMG）信號包含有肌肉收縮時的神經(jīng)肌肉活動特點(diǎn)，因此它已經(jīng)被認(rèn)為是評估肌肉疲勞較客觀的無創(chuàng)傷性工具。肌電信號的均方根（RMS）和中心頻率（MDF）是評估肌肉疲勞的常用指標(biāo)。然而在肌肉收縮時，其形態(tài)變化特征、聲學(xué)特征同樣與疲勞發(fā)生過程有著密切的關(guān)系［4，5］。所以，選擇其他信號系統(tǒng)結(jié)合SEMG進(jìn)行疲勞分析診斷，是一種非常有意義的探索。比如，檢測肌肉收縮時產(chǎn)生聲音和震動的機(jī)械圖（肌動描計圖MMG），還有近紅外光譜檢測都可用來評價肌肉的疲勞［6,7］。

上世紀(jì)90年代初，超聲圖已經(jīng)用于測量肌肉等長收縮和動力性收縮時肌肉厚度［8,9］、肌束長度和肌肉橫斷面［8,10］的變化。由于這些肌肉形態(tài)結(jié)構(gòu)的參數(shù)與肌肉功能有很高的關(guān)聯(lián)［11］，因此它們可用于描述肌肉收縮時的特性。最近，一些研究人員研究在肌肉近似靜態(tài)［8,12,13］以及動態(tài)［14,15］下一些超聲參數(shù)與EMG變化的關(guān)系。然而，卻未見有人用超聲信號結(jié)合EMG信號去研究肌肉疲勞。本研究的主要目的是通過SMG連續(xù)探測肌肉厚度的變化以反映肌肉疲勞特征的可行性。采用18名正常成年男子，肱二頭肌做等長收縮，同時采集其表面肌電信號和超聲信號，獲得表面肌電參數(shù)以及肌肉形變情況。描述肌肉疲勞時形變信號特征，對其用來評估肌肉疲勞的可能作用進(jìn)行探討。

1研究對象與方法

1．1研究對象

18名健康男性自愿者，身體基本參數(shù)為，年齡：(20±1)歲y；身高：(175±3)cm；體重：(68±5)kg。受試者均身體健康，無神經(jīng)肌肉功能疾病史。

1．2研究方法

1．2．1實(shí)驗(yàn)方法調(diào)整Cybex儀器（Ronkonkoma，美國）的座椅，使受試者安坐舒適。用皮帶將軀干固定在椅背上，防止測試中姿勢改變。前臂置于一個專用的固定支架上，手握一個垂直杠桿臂。屈曲肘部與上臂呈90度，前臂保持與地面平行。杠桿臂軸線與肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸呈平行位，手保持在旋前與旋后位中間。以右臂為測試手臂，18名受試者均為右利手臂。

先進(jìn)行幾次熱身性收縮練習(xí)后，每位受試者進(jìn)行三次最大隨意等長收縮（MVC），收縮時肘關(guān)節(jié)要屈至90度。通過電腦顯示屏可以顯示出實(shí)時力矩值。每次MVC大約持續(xù)3 s，與下次收縮的休息間隔時間為60 s。每位受試者M(jìn)VC力矩取三次收縮的最大力矩平均值。

在實(shí)驗(yàn)開始時，讓受試者屈肘對抗杠桿臂保持在80％MVC處［16］，可通過電腦給出該力矩值。當(dāng)力矩值下降至約70％MVC時停止測試。在力矩達(dá)到80％MVC時采集如下數(shù)據(jù)：力矩（Ronkonkoma，美國）、超聲圖（180Plus，美國）、SEMG（MyoSystem1200型，美國）。在測試過程中用語言不斷鼓勵受試者，使其注意力保持集中。通常，所有受試者最長耐受時間均不超過30s。在同樣條件下每位受試者連續(xù)測試三次，每次休息間隔至少為5min［17,18］。

用測力計測量肘屈的力矩，通過放大裝置將力矩信號放大并與SEMG、超聲影像信號同步輸入并顯示在電腦上。

1．2．2數(shù)理統(tǒng)計所有數(shù)據(jù)均采用SPPP9．0統(tǒng)計軟件進(jìn)行處理。以X±SD表示，組間檢驗(yàn)采用t檢驗(yàn)，以p＜0．05為差異性顯著的界值。

2結(jié)果

在SEMG信號中，RMS和MDF為衍生數(shù)據(jù)，肌肉的形變是從超聲圖中獲得的。

所有受試者測試結(jié)果均顯示出相似的趨勢。圖1和圖2（可由儀器程序生成）顯示實(shí)驗(yàn)中某一測試者SEMG的RMS和MDF值的代表性結(jié)果。在肌肉疲勞過程中RMS值隨時間增加，而MDF值隨時間減小。SEMG參數(shù)的變化驗(yàn)證了在實(shí)驗(yàn)中測試肌已有疲勞表現(xiàn)。圖3顯示肌肉的形變情況（與圖1，2為同一受試者），在收縮過程中肌肉厚度明顯增加，但卻呈復(fù)雜的非線性變化。

18個受試者RMS和MDF的平均變化率分別為2．9±1．9％/s和－0．60±0．26Hz/s，平均肌肉變形率為3．5±1．6％。在肌肉開始收縮的前幾秒，厚度迅速增加，18名受試者的平均增加率可達(dá)0．30±0．19％/s。我們把這個定義為肌肉初始變形率，持續(xù)8．1±2．1 s，然后肌肉厚度增加變得緩慢，僅有一個小幅度的變化率0．0067±0．024％/s，一直到力矩開始變得上下波動，此時說明受試者不能再繼續(xù)耐受指定的力矩。我們把這個低變化率階段稱為肌肉的穩(wěn)定變形率。肌肉初始變形率和穩(wěn)定變形率之間的過渡時間為臨界時刻，用兩個線性變化趨勢的交叉點(diǎn)來計算，如圖3所示。從圖3可以看出肌肉變形在大約25s時達(dá)到峰值，然后開始下降。這是因?yàn)槭茉囌卟荒茉倬S持80％MVC，力矩出現(xiàn)上下波動。對于所有受試者來說，該現(xiàn)象出現(xiàn)在20～30 s之間。但是，在RMS和MDF中未顯現(xiàn)出這種力矩開始波動的現(xiàn)象（如圖1，2）。

將肌肉的變形與SEMG參數(shù)進(jìn)行線性回歸分析，R²值均小于0．3，表明在肌肉疲勞過程中尚觀察不到肌肉變形與SEMG參數(shù)系統(tǒng)有明顯相關(guān)性。

3討論

通過RMS值的增加和MDF值的減小證實(shí)了被測肌肉達(dá)到疲勞狀態(tài)。同時也觀察到，肌肉在開始收縮的前幾秒鐘厚度迅速增加，然后進(jìn)入緩慢增加階段，直到受試者不能再維持80％MVC時，力矩出現(xiàn)上下波動。這種肌肉形變率的轉(zhuǎn)變可用收縮過程中運(yùn)動單位的募集以及代謝率來解釋。

在本實(shí)驗(yàn)中，由于受試者要保持一個恒定的力矩，直到不能堅(jiān)持，并且關(guān)節(jié)角度也要始終保持固定。所以我們可以這樣解釋，當(dāng)肌肉在疲勞的進(jìn)展過程中，會有越來越多的運(yùn)動單位被募集，用于補(bǔ)償失去收縮能力的肌纖維，進(jìn)而保證力量的不斷產(chǎn)生。由肌絲滑行理論可知，新近被募集的肌纖維要發(fā)生縮短以產(chǎn)生足夠的力量維持力矩，因此其側(cè)面的圍度在一定區(qū)域內(nèi)就會增加。此外，最近有報道表明，當(dāng)腓腸肌在持續(xù)等長收縮至疲勞的過程中，近中部的肌束長度顯著減?。?4］。在持續(xù)等長收縮時，相應(yīng)肌腱的長度變化，以及所導(dǎo)致的肌肉縮短，可以說明上述肌束的變化［14］。由于在肌肉收縮時體積是保持恒定的，當(dāng)肌肉縮短時必定會引起橫截面積的增加，也就是肌肉厚度增加。我們在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)肌肉持續(xù)等長收縮時厚度增加，這與近期的相關(guān)研究結(jié)果是相一致的［14］，盡管是一些來自對肌肉不同方面的研究。隨著研究的不斷深入，今后應(yīng)該探索出更好的測量方法，為肌肉收縮時的變化找到最佳解釋。

曾有報道，肌肉在持續(xù)性收縮的的初始階段，所產(chǎn)生的聲波振幅（肌動描計圖MMG）顯著增加，而當(dāng)力竭時又明顯下降［6］。肌肉收縮時，記錄的聲波是由所有運(yùn)動單位震動的總和所產(chǎn)生的。本實(shí)驗(yàn)中觀察的現(xiàn)象與他們的結(jié)論相一致。但所涉及的機(jī)制，以及肌肉疲勞時記錄的不同類型信號之間的關(guān)系仍然需要進(jìn)一步深入研究。

在SEMG信號系統(tǒng)中，我們觀測不到有關(guān)力矩起伏或者一種過渡狀態(tài)的任何跡象（圖1、2）。RMS和MDF在整個測試過程中一直呈線性增加和減少，即使在所測力矩出現(xiàn)起伏變化后也未見這兩個指標(biāo)有改變發(fā)生。而相反，肌肉變形的表現(xiàn)卻清楚地表明力矩的波動。肌肉的變形可能和MMG類似，反映的是肌肉的一種機(jī)械性的活動，而SEMG卻是反映電信號的變化。當(dāng)肌肉發(fā)生疲勞時，運(yùn)動神經(jīng)元仍然會持續(xù)性的激活，并維持同樣的放電效率以試圖保證肌纖維能夠繼續(xù)產(chǎn)生足夠的力量，所以就導(dǎo)致了SEMG幅度的持續(xù)增加，但是肌纖維卻不能產(chǎn)生相應(yīng)的收縮力，于是就引起力矩的波動。肌肉的電活動與機(jī)械性收縮之間產(chǎn)生了分離現(xiàn)象。因此，假如我們結(jié)合肌肉的變形和SEMG信號，可能對描述肌肉的疲勞特征會更有幫助。

4結(jié)論

在本實(shí)驗(yàn)中使用實(shí)時超聲圖信號檢測出肌肉變形信息，證實(shí)了用該方法描述肌肉疲勞的可行性。同時，結(jié)合SEMG信號監(jiān)測了肱二頭肌在等長收縮時的疲勞狀況。結(jié)果顯示，肱二頭肌在達(dá)80％MVC后，開始前大約8s期間，肌肉厚度迅速增加，然后進(jìn)入緩慢增加階段，中間明顯存在階段性轉(zhuǎn)折。另外，通過SMG還可以觀察到，當(dāng)肌肉不能維持原來的收縮力量時所表現(xiàn)出的力矩波動現(xiàn)象。對于上述兩種表現(xiàn)，在SEMG參數(shù)中（RMS和MDF）均不能體現(xiàn)出來。

總之，肌肉的變形信號與SEMG信號相結(jié)合可以更加全面地對肌肉疲勞作出評價。對于用該方法監(jiān)測肌肉疲勞的可行性，還需要通過對不同性別、年齡、病理狀態(tài)的樣本進(jìn)行研究加以證實(shí)。

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