ｓＥＭＧ技術在頸部肌肉活動評價中的應用

陳　謙

摘要：表面肌電圖技術被用來研究頸部肌肉的功能狀態(tài)已有30多年的歷史，頸部肌肉活動的相關分析、結構與穩(wěn)定性及頸部疼痛的關系等領域受到了較為深入的研究。但由于頸部解剖結構的復雜性、測試條件的不可控性，研究進展較為緩慢。通過對表面肌電圖技術在頸部肌肉活動評價中的應用研究進行歸納，認為頸部肌肉活動的sEMG信號特征以及頸部肌肉疲勞和頸部疼痛之間的關系是未來該研究領域的主要發(fā)展趨勢。

關鍵詞：表面肌電sEMG；頸部肌肉活動；頸部穩(wěn)定性；頸部疼痛

中圖分類號：G804.21文獻標識碼：B文章編號：1007-3612(2008)02-0226-03

頭頸部是全身關節(jié)活動最為靈活同時也是最不穩(wěn)定的部位之一［1］。頸部肌肉是一個復雜、多層次的結構體系［2］。它可以使頭部進行屈、伸、側屈、旋轉、繞環(huán)等多種運動［3, 4］。頸肩疼痛目前已成為一個大眾的健康問題，頸部損傷和疼痛的人數(shù)越來越多。Carolyn M.等人［5］通過文獻調(diào)查發(fā)現(xiàn)很多研究認為，從身體需求到基本靜止的作業(yè)、視頻顯示終端工作、縫紉機操作等，靜態(tài)作業(yè)通常更多地與頸部緊張癥或肌痛有關，頸部骨骼肌不適與各種職業(yè)和工種相關。Peter W. Buckle等人［6］通過流行病學調(diào)查證明，從事與頸部和上肢骨骼肌相關的職業(yè)與其頸部功能紊亂存在著顯著的相關性。

表面肌電（Surface electromyography, sEMG）信號分析技術因其特點和優(yōu)點常被用于測量運動中的肌肉活動、康復醫(yī)學和人體工程學的評估和測量［7］。意識到利用sEMG技術對頸部肌肉進行研究的必要性是在1998年的Marconi Research Conference（馬可尼研討會）［5］，大會認為使用表面肌電技術對上肢和頸部區(qū)域的肌肉活動的研究取得了一定的成果。本文就sEMG在頸部肌肉功能評價中的應用及進展進行概括。

1基于sEMG技術對頸部肌肉活動開展的相關研究

1.1頸部活動的相關肌肉分類和工作分析

1.1.1頸部肌肉解剖的物理模型根據(jù)頸部肌肉解剖結構，《系統(tǒng)解剖學》［3］中按照其所在位置，分為頸淺肌群、舌骨上下肌群和頸深肌群。頸淺肌群包括頸闊肌、胸鎖乳突??；舌骨上下肌群包括二腹肌、下頜舌骨肌、莖突舌骨肌、頦舌骨肌、胸骨舌骨肌、肩胛舌骨肌、甲狀舌骨?。活i深肌群包括外側有前斜角肌、中斜角肌、后斜角肌，內(nèi)側有頭長肌、頸長肌。其他涉及到有關頸部活動的背部肌肉有斜方肌、肩胛提肌、豎脊肌。

采用肌電技術對頸部肌肉活動進行研究，國外的學者已有一定的嘗試。Kamibayashi等人［8］的研究定義了超過20對以上的維持頸部穩(wěn)定和運動的肌肉，但能夠使用表面肌電技術采集到較為敏感的肌肉卻很少。根據(jù)人體解剖結構，背部使得頭頸部后伸的肌肉至少有四層［5］，頭半棘肌是最主要的頸伸肌，但被頭夾肌覆蓋，而頭夾肌卻又部分的被斜方肌覆蓋［3］。Bernhard等人［9］與Nolan等人［10］在所研究的10塊肌肉中認為有4塊可用sEMG檢測的，分別為半棘肌(semispinalis capitis)、夾肌(splenius capitis)、胸鎖乳突肌(sternocleidomastoid)和斜方?。╩. trapezius）。然而在Queisser等人［11］的研究中所述，檢測半棘肌是相當受限制的。

1.1.2頸部肌肉解剖的生物力學模型除物理模型之外，已有不少學者采用更一步的數(shù)學模型對脊柱頸段和肌肉組織的功能進行研究［5］。Moroney等人［12］建立頸部14對肌肉的生物力學模型，包括頸闊肌、舌骨下肌、胸鎖乳突肌、（頸或脊柱）長肌、前斜角肌、中斜角肌、頸最長肌、肩胛提肌、多裂肌、頸或頭半棘肌、頸或頭夾肌及斜方肌。另外在該模型中的第四頸椎水平位置上，sEMG可接觸到的肌肉包括胸鎖乳突肌、斜方肌、肩胛提肌、頭夾肌、頸闊肌和舌骨下肌肉。然而，后兩塊肌肉通常被認為不是穩(wěn)定或活動頭或頸部，而分別被視作面部表情與口和舌的活動肌肉。

部分基于Kamibayashi［8］工作分析，Vasavada等人［13］設立了頸部19對肌肉的生物力學模型，其研究的各種姿勢中，他們認為半棘肌具有最大伸展力矩的能力，緊跟著是夾肌。胸鎖乳突肌在屈和側屈中具有最大力矩，斜方肌在左右自轉中具有最大力矩，其事實上超出了它的側屈能力。而某種程度上這些肌肉每一塊都可與表面電極相接觸。

1.1.3頸部肌肉活動的功能性評估采用EMG技術對肌肉功能的評估，學者們開展了一些研究。Takebe等人［14］采用雙極細金屬絲的針式電極，在頭部各個方向的運動中，對頭夾肌和頭半棘肌的活動開展研究，發(fā)現(xiàn)這兩塊肌肉在頭伸展和旋轉運動中激活程度較高。在許多實驗對象中，半棘肌最大的激活狀態(tài)發(fā)生在自然坐姿中抵抗阻力時的伸展運動。頭夾肌最大的激活狀態(tài)也發(fā)生在抵抗阻力的坐姿或旋轉中。另外在安靜直立的坐姿中肌肉都是出于放松狀態(tài)的，只有半棘肌在臥姿中保持頭部有輕微活動。

另外，Keshner等人［1］的整個實驗過程中頭部一直處于自然姿勢、頸部肌肉組織垂直的情況下的活動模式。他們在23塊頸部肌肉中設法鑒別出胸鎖乳突肌、斜方肌、頭夾肌和頭半棘肌活動的優(yōu)勢方向。這項研究的結果認為頭夾肌主要不僅僅是伸展，還對應于側彎；頭半棘肌在伸展和后側彎曲中一直活動；斜方肌對頭部穩(wěn)定性無作用。就頭夾肌活動而言，半數(shù)受檢者的夾肌在側面和前外側的穩(wěn)定性中的主要活動，剩余受檢者側面的和后側的穩(wěn)定性中的主要活動。這項有關夾肌的發(fā)現(xiàn)于Takebe等人［14］發(fā)現(xiàn)的在側彎抗阻時該肌肉幾乎沒有或沒有活動有所不同。

在關于頭夾肌功能和利用EMG研究肌肉方面，Keshner［15］等人的一些說明和結論受到了一些學者的質(zhì)疑。Mayoux Benhamou等［16］使用表面電極和針式電極來研究夾肌活動，并尋找兩種信號之間的對應關系。此兩種電極上信號顯示側彎運動中的活動，與Keshner等人的研究結果類似。然而在其它伸展運動中發(fā)現(xiàn)了差異——表面夾肌電極發(fā)現(xiàn)頭夾肌的活動信號而針式電極卻沒有發(fā)現(xiàn)信號。作者認為其原因是相鄰肌肉主要是胸鎖乳突肌會產(chǎn)生的色度量度干擾。通過核磁共振成像，頭夾肌在伸展和同側旋轉中顯示出活動，但在彎曲和對側旋轉中無活動。因此Mayoux Benhamou等人建議表面電極僅用于大的頸部肌肉應該是充足的，如胸鎖乳突肌，或者背側肌肉組活動時。

上述的這些基礎研究指出頸部一些對于頸部運動和穩(wěn)定性有重要作用的肌肉是可用表面電極接觸的。所選擇肌肉符合方便的附加實驗負荷，肌肉分布在表淺、干擾信號少、較為敏感的特征。這些肌肉包括頭半棘?。^伸）、頭夾?。ㄉ臁惹?、旋轉）、肩胛提?。▊惹⑿D）、胸鎖乳突?。ㄇ?、旋轉、側屈）和斜方?。ㄉ?、側屈）等。

1.2頸椎形態(tài)、頸部肌肉與頸椎穩(wěn)定性和頸部疼痛的關系脊柱頸段是一種動態(tài)結構，用于頭部的支撐和定向，同時將從軀體影響頭位置的力上傳［17］。頸部肌肉不僅維持頸椎穩(wěn)定，同時進行頭部的三維運動［15］。

構成頸部骨骼結構主要有人體脊柱上部的七塊頸椎。椎體之間借椎間盤、前縱韌帶和后縱韌帶相連接，兩椎骨間可作輕微運動。頸椎關節(jié)面為傾斜的平面，椎間盤較厚，故可作屈、伸、側屈、旋轉和環(huán)轉運動。它通過寰枕關節(jié)（第一頸椎稱為寰椎）與頭部連接，可使頭部作屈、伸和側屈運動，通過寰樞關節(jié)使第一（寰椎）與第二頸椎（樞椎）相連，向下由六塊椎骨相互連接的結構［3］，因此頸部產(chǎn)生的運動是通過寰枕關節(jié)及7塊椎骨之間的關節(jié)連接形成各方向上的運動。頸部解剖結構復雜，涉及到的肌肉數(shù)目較多，《運動解剖學》［4］中按照機能分類分為頸屈肌群、頸伸肌群、頸側屈肌群。

頸部許多組織都會產(chǎn)生疼痛，包括頸部肌肉、椎間盤、后部縱向韌帶以及關節(jié)面等等，它們都是維持頸椎穩(wěn)定性的結構［18］。但在Heleen H.等人［19］的關于“體質(zhì)與腰骶部或頸肩痛之間的關系”（該體質(zhì)包括肌力、肌肉耐力或關節(jié)靈活性等方面）進行系統(tǒng)綜述發(fā)現(xiàn)，幾乎沒有研究論述上述內(nèi)容和頸肩痛之間的關系。他們指出僅有數(shù)量如此有限的研究論述頸肩肌肉的肌力或耐力和頸肩痛之間的關系，只能說明在兩者之間存在不確定的證據(jù)。而且在僅有的幾個研究中產(chǎn)生了不一致的結論，因此在頸部疼痛與脊柱頸段機能靈活性之間的關系也具備不確定的證據(jù)。

近年Falla D等人的研究［20］較為活躍，他們認為慢性頸痛病人的胸鎖乳突肌和斜角肌的疲勞和其長期的疼痛狀況之間并沒有相互關系。而這與人們認為長期的頸肌疲勞會引起疼痛的觀念不相符。因此對頸痛產(chǎn)生機制的研究十分必要。

1.3頸痛患者的頸肌sEMG特征表面肌電信號能清楚地記錄和反映肌肉持續(xù)自主收縮時的電信號變化。反映疲勞的肌電信號常被作為肌肉發(fā)生生理改變的重要信息［20, 21］。因此，有很多學者采用sEMG技術對頸部肌肉疼痛開展相應的研究。

Falla D等人［20］對10名慢性頸痛病人和10名健康者進行比較，選用頸部的兩塊肌肉胸鎖乳突肌（SCM）、斜角肌（AS），采用平均頻率（MF）、平均校正值（ARV）、傳導速率（CV）等指標評定局部肌肉運動單位募集、局部肌肉疲勞情況，結果發(fā)現(xiàn)，在慢性頸部疼痛病人的MF最初值大于正常人，且在25%MVC、50%MVC的疲勞實驗中也表現(xiàn)出同樣的顯著性。Gogia［22］認為頸椎骨關節(jié)病人中SCM的MF變化率越大，在50%和80%的MVC中越容易疲勞。另外還有一些研究結果［23, 24］顯示，在臨床測試中，頸部肌肉痛病人前屈時肌肉耐力下降。Uhlig等人［25］指出多數(shù)活體研究中發(fā)現(xiàn)，頸痛病人的II型肌纖維占主導地位，肌肉耐力下降且易疲勞；頸痛病人的肌纖維由I型向IIb型轉變。但在Stapley PJ等人［26］對13名頸部肌肉急性損傷病人的研究中指出，其表現(xiàn)出與疲勞相類似的肌電信號，sEMG振幅增加，MF減小。

2國內(nèi)對頸部肌肉活動的相關研究現(xiàn)狀

雖然表面肌電技術對頸部肌肉開展研究已有30多年的歷史，但由于頸部解剖結構的特殊性、測試條件的不可控性，對頸痛患者的肌電信號特征的研究較難開展，因此研究并也不多見。在國內(nèi)，對引起頸部運動的肌肉的研究主要著重于頸椎疾病的臨床報告、治療分析、治療效果評估等［27-29］，對頸部肌肉的正?；顒?、用力情況的機理研究少見。華詠梅等人［30］的研究主要為面部肌肉，頸部只涉及到胸鎖乳突肌，結果為在不同下頜運動時，高角和均角兒童面頸部肌肉的肌電活動差異有所不同；其活動可能與顱面垂直形態(tài)有關。而顱面垂直形態(tài)主要依靠頭頸部關節(jié)來調(diào)整，因此也提示了在不同活動角度下可能會引起胸鎖乳突肌的力——電變化。陳肇輝等人［31］的對頸部活動度開展研究，以計算機立體視覺為模型建立的測量系統(tǒng)，精確測量頸椎的活動度(精確度為0.8°)，結果顯示以自然標準位為0°時，頸椎前屈、后伸,左、右側屈，左和右旋轉的主動活動度分別為：47.3°±2.9°、 38.7°±3.4°、 41.9°±2.2°、 42.9°±1.7°、68.3°±6.3°、68.5°±5.6°。另外，王艷國［32］對頸椎病頸部肌肉力、電特征作了分析，探討了正常人和頸椎病患者頸部肌肉力/電特征及推拿治療頸椎病對頸部肌肉力/電作用的機制。結果顯示，正常人青中老年三組屈伸比有增齡性增大的趨勢；正常人等長運動中頸脊旁肌、胸鎖乳突肌和斜方肌肌電比值一般在1.0～1.3:1之間。頸椎病患者等長運動中，屈伸比值增高，提示頸后伸肌力減弱。后伸峰力矩角度值與正常人有顯著差異，等長運動中肌電比值差別較大。等速運動頸部雙側肌肉運動開始和結束時刻肌電募集時差延遲。

3結語

因此針對日益增長的頸部疾患，開展對頸部肌肉的研究顯得十分必要。綜上所述，利用當代的sEMG信號的線性和非線性分析技術結合肌肉力量，研究頸部肌肉活動的sEMG信號特征以及頸部肌肉疲勞和頸部疼痛之間的關系是未來該研究領域的主要發(fā)展趨勢。

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