運動性肌肉疲勞的表面肌電信號特征研究

張佑璉,馬國際

●運動人體科學●

運動性肌肉疲勞的表面肌電信號特征研究

張佑璉,馬國際

肌肉疲勞通常是指肌肉運動系統(tǒng)最大作功能力或者最大收縮能力的暫時下降,表面肌電圖信號可以在一定程度上反映肌肉收縮功能的變化,其檢測具有非損傷性、實際性、多靶點測量等優(yōu)點。通過文獻綜述法簡要總結了運動導致肌肉疲勞的表面肌電圖特征,介紹了表面肌電圖主要測量指標及其影響因素。

運動;肌肉疲勞;表面肌電圖

肌肉活動是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制下的一種復雜的運動,肌肉疲勞通常是指該系統(tǒng)最大做功能力或最大收縮能力的暫時下降。長期以來對于運動性肌肉疲勞的機理眾說紛紜,事實上,人體是一個復雜的有機體,各系統(tǒng)各器官并不是孤立的,而是在神經(jīng)系統(tǒng)的調控下,相互聯(lián)系,相互制約的。疲勞的本質是肌纖維的橫橋和基質網(wǎng)的作用減弱,造成肌絲滑動減弱。三聯(lián)管結構中 ADP/ATP上升,造成基質網(wǎng)對鈣離子的攝取降低表面肌電信號是從皮膚表面通過電極引導記錄下來的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時的生物電信號,他與肌肉的活動狀態(tài)和功能之間存在著不同程度的關聯(lián)性,因而能在一定程度上反映神經(jīng)肌肉的活動。

1 表面肌電信號的記錄

肌電圖測量一般要用三個電極,兩個電極放在動作電位可以被測量和放大的部位,第三個電極為接地電極,安放電極前,應該刮掉測量部位的體毛,并用細砂和無水乙醇清潔皮膚,使用導電膏,以減少皮膚電阻對肌電信號的影響。大多數(shù)學者認為,表面電極的位置應盡量靠近肌腹中心,便于從菱形肌獲得最大的肌電信號。Carbeery[1]認為,將電極貼在肌肉收縮的幾何中心,電極方向順著肌纖維的縱軸方向,這樣所測得的肌電信號最為可靠,且兩電極相聚 2-3cm,地線接在靠近電極而運動時相對穩(wěn)定的地方,這樣所采集的肌電信號最為穩(wěn)定。表面電極可以綜合反映該部分肌肉的活動程度。表面肌電圖采集的是一維時間序列信號。它是表面引導電極觸及的多個運動單位時所產(chǎn)生的電極變化在時間和空間的疊加。從生理角度看與肌肉的纖維組成解剖結構以及不同機能狀態(tài)和活動狀態(tài)下的參加活動的運動單位數(shù)量,不同運動單位的放電頻率,運動單位活動的同步化程度,運動單位募集模式等均有關。脂肪組織對檢測結果的影響在肌肉放松時較肌肉運動時大,但是不影響雙側的對稱性肌電信號可以由隨意收縮和電誘發(fā)引出,隨意收縮肌電信號是許多運動單位動作電位的總和。電誘發(fā)時,由于外界刺激,運動單位動作電位同步產(chǎn)生了一個確切的誘發(fā)反映,即M波。這種記錄方法可以幫助我們確認最表面運動單位,較隨意收縮產(chǎn)生的肌肉疲勞更迅速,獲得的肌電信號變動小,更加穩(wěn)定[2]。

2 表面肌電信號的測量指標

近年來隨著計算機的迅速發(fā)展,使肌電圖的定量分析成為可能。表面肌電信號分析包括時域分析和頻域分析。其檢測具有非損傷性、實時性、多靶點測量等優(yōu)點。而表面肌電信號分析則是應用信號分析的理論與方法描述,發(fā)現(xiàn)表面肌電信號變化規(guī)律和特點的手段與方法[3]。時域分析能夠為我們提供肌纖維的放電時間、放電總量、放電頻率、放電振幅等,特別是在運動技術動作分析上有它的獨特之處[4]而頻域分析可為我們分析提供以下信息:不同類型肌纖維的動員情況,神經(jīng)肌肉的供能狀態(tài),某種頻率放電的集中趨勢,而對于實際應用中,應同時使用時域和頻域分析。

2.1 時間域分析

時間域是指可以在時間維度上反應肌電曲線的變化特征的評價指標,主要指標有積分肌電 (IEMG),平均振幅(MA),均方根振幅 (RMS),時程 (DUR)等 。

2.1.1 積分肌電 (IEMG)

IEMG是指所有肌電信號經(jīng)整流濾波后求單位時間內(nèi)曲線下面積的總和,反應一定時間內(nèi)幾點鐘參與活動的運動單位放電總量,即在時間不變的前提下,其值的大小在一定程度上反映參加工作的運動單位數(shù)量多少和每個運動單位的放電大小。

2.1.2 均方根振幅(RMS)

是放電有效值,其大小決定肌電幅值的變化,一般認為與運動單位募集和興奮節(jié)律有關[5]。

2.1.3 平均振幅 (MA)

反映肌電信號的強度與參與的運動單位數(shù)目及放電頻率同變化程度有關。

2.2 頻率域分析

頻率域分析是指在頻率方面評價肌電信號的指標分析,主要分析方法是將時域信號通過快速傅立葉轉換 (FFT),獲得表面積電信號的頻譜或功率譜,它們可反映表面肌電信號在不同頻率分量的變化,故能較好地在頻率維度上反映表面積電信號的變化特征[3]。

與時域指標對比,頻域指標有以下優(yōu)勢:(1)在肌肉疲勞過程中均呈明顯的直線遞減型變化,而時域指標的變化則有較大的差異;(2)頻域指標時間序列曲線的斜率不受皮下脂肪厚度和肢體維度的影響,而時域指標則易受影響。(3)頻域指標時間序列曲線的斜率與負荷持續(xù)時間明顯相關,二時域指標的相關不明顯[6].頻域分析主要指標有平均功率頻率(MPF)、中值頻率 (MF)、時間 -MPF曲線的斜率 (MPFslope)和時間 -MF曲線斜率 (MFslope)等。

2.2.1 平均功率頻率(MPF)

是指過功率譜曲線重心的頻率。一般認為MPF在反映較低負荷收縮時的靈敏度較高[7]。

2.2.2 中值頻率 (MF)

是指骨骼肌收縮過程中肌纖維放電頻率的中間值。MF在抗噪聲干擾方面具有優(yōu)勢,并且刻畫頻譜特征變化要優(yōu)于MPF,但敏感性卻低于MPF。

2.2.3 MPFslope和MFslope

表示時間與MPF與 MF曲線的斜率,代表運動過程中MPF或MF的相對變化。在肌肉的運動過程中,肌肉疲勞、頻譜左移,表現(xiàn)為MPF值下降,所以 MPFslope作為評價肌肉疲勞的指標,由于缺乏統(tǒng)一的評價標準,評價缺乏客觀性。另外有人發(fā)現(xiàn),這兩種斜率之間MPF隨負荷時間延長的下降幅度明顯大于MF[8]

3 運動性疲勞的肌電圖特征

運動性疲勞的 EMG改變與以下因素有關:運動方式、運動強度、運動時間、運動性質、肌肉選擇、肌肉的收縮方式、年齡、性別、受試者的自身狀況、所用的計算方法、電極安放的位置及間距等。因此,在眾多的肌電圖研究中,結論并不完全相同。

3.1 等長收縮

Kilbom等肘屈肌以 25%MVC等長收縮做了觀察,發(fā)現(xiàn)初始到力竭狀態(tài),肌電圖的MA持續(xù)升高,力竭時達到最大值。揚丹[8]等以等長負荷中肱二頭肌疲勞為模型。發(fā)現(xiàn)時域指標 IEMG和 RMS均隨時間呈直線遞減型變化。說明頻域指標在反映肌肉疲勞時其效果要好于時域指標。Bendahan以前臂屈肌在 60%MVC靜力收縮至力竭,肌電圖低頻段能量不斷減少,高頻段能量持續(xù)增加,但是在力竭前下降。目前,比較一致的結論是:在靜力工作狀態(tài)下,由初始狀態(tài)到疲勞 (或力竭)EMG的振幅值隨疲勞程度的加深而增加,頻域值功率譜像低頻方向漂移[9],可能是由于肌組織內(nèi) PH升高,引起肌細胞膜電位超極化,導致 K+外流,又會對細胞膜電位產(chǎn)生超極化阻滯現(xiàn)象,從而肌細胞興奮性下降,肌纖維傳導速度降低,從而導致肌肉放電頻率相抵頻帶轉移[10]

3.2 向心收縮和離心收縮

動力性工作至疲勞肌電圖的變化與靜力性工作相比較為復雜,研究結果也各異。但是從總趨勢看由初始態(tài)到疲勞態(tài)(或力竭)肌電圖的振幅值增加,頻域值功率向低頻轉移。王瑞元[11]等以十二名男大學生為受試對象觀察在極限負荷斜蹲過程中 (可分為離心、等長和向心收縮)骨外惻肌肌電信號的變化特點,發(fā)現(xiàn) IEMG在各階段隨時間增高,在等長階段和向心收縮階段高于離心階段。說明 IEMG在等長收縮和向心收縮階段對股外側肌電信號變化的特異性優(yōu)于離心收縮階段,Roy等以 4名健康受試者為對象,觀察他們重復抬起(向心收縮)放下重物 (離心收縮)至疲勞過程中,腰部肌肉肌電圖的變化,發(fā)現(xiàn)中心頻率變化呈非線性,在一次十七和放下過程中,呈現(xiàn)出下降 -恢復交替出現(xiàn)的幾個階段。Cren-shaw等的研究中,受試者分別為 25%MVC和 70%MVC負荷進行伸膝鍛煉,同步記錄其股四頭肌表面肌電信號,發(fā)現(xiàn)中值頻率在兩種負荷下都顯著下降,但是以 70%MVC負荷時,下降率為高。RMS在兩種負荷下都增加,以 25%MVC負荷時增加率為高。但 Jansen等記錄了受試者進行遞增負荷踏車至 100%VO2max過程中股外側肌的肌電信號,發(fā)現(xiàn)中值頻率隨時間的延長而增加。Kroon等通過比較 50%和 40%MVC為負荷進行等長收縮、離心收縮和向心收縮至力竭的屈肘肌肌電圖的變化特征。發(fā)現(xiàn)了三種性質工作的 IEMG,RMS和MPF的改變率比其他兩種工作為高 (P<0.01)。Te-sch等比較了骨外惻肌和股直肌在離心收縮和相信收縮時的肌電變化,發(fā)現(xiàn) IEMG在向心收縮時高于離心收縮。

3.3 等動收縮

W retcing等以 9名案片賣為受試者,讓其在等動儀器上做伸膝動作至疲勞,并觀察股四頭肌等動收縮的肌電變化,發(fā)現(xiàn):MPF在初期下降,隨后進入穩(wěn)定狀態(tài);RMS在最初 7次收縮中增加,隨后出現(xiàn)波動,但是總的趨勢是上升的。邱龍潛[12]等觀察了肱二頭肌在等速運動負荷下工作至力竭時的表面肌電信號特征,發(fā)現(xiàn) IEMG和 RMS雖在疲勞過程中呈遞增性變化,但是他們的時間原則曲線變化類型缺乏較好的一致性;然而MPF顯著下降,并且時間序列曲線呈單調遞增趨勢,但與MF的變化缺乏較好的一致性。Gerdle采用了等動伸膝作為運動形式,記錄了完成 70次最大等動伸膝過程中股四頭肌肌電圖的變化,發(fā)現(xiàn)在最初的 40次收縮階段MPF陡然下降,而后下降率有所降低。而 Vandieen研究了骶棘肌等動收縮時發(fā)現(xiàn)肌電頻譜改變與肌肉疲勞之間沒有相關性。

4 運動性疲勞肌電圖改變的機理

肌肉疲勞發(fā)生過程中肌電圖頻譜左移現(xiàn)象,目前有如下一些推測:

(1)因快運動單位很快疲勞而募集更多的未疲勞的慢運動單位參加工作。

(2)疲勞時為了維持肌肉應達到的張力而加強運動單位興奮的同步化。

(3)肌肉收縮時血流受阻,使肌肉乳酸積累,導致運動單位傳導速度下降。

(4)肌肉疲勞時肌內(nèi)壓升高,使血流受阻,引起肌膜興奮,傳導速度降低等。

目前認為與中樞與外周兩方面因素共同作用有關,稱為中樞機制和外周機制。

4.1 中樞機制

中樞機制主要指大腦皮層運動中樞的激活水平或中樞驅動以及運動神經(jīng)元的興奮發(fā)放頻率及其同步化程度等對肌電信號變化的作用途徑和方式。KENT-BRAU等分別使用 SEMG和電刺激對靜態(tài)運動負荷誘發(fā)肌肉疲勞過程中,中樞和外周因素的作用進行了定量研究。發(fā)現(xiàn),當受試者完成維持 4min的最大靜態(tài)運動負荷后,MVC下降到運動初期的22%,最大電刺激肌力下降到運動初期的 33.3%,CAR由0.94下降到 0.78,MVC/強直肌力比值由 2.34下降到1.25,IEMG/CMAP由 3.29下降到 0.74,這些結果證明了中樞作用機制的存在。中樞機制的作用途徑和方式目前不完全清楚,可能與運動神經(jīng)元的興奮發(fā)放頻率及其同步化程度有關。

4.2 外周機制

4.2.1 代謝性酸中毒

Lindstrom等認為:代謝性酸中毒引起的肌纖維興奮傳導速度下降,動作電位波形變化是造成表面肌電信號時頻特征變化的主要原因。主要支持證據(jù)是肌肉疲勞過程中MPF和MFcv的變化具有高度的數(shù)據(jù)關聯(lián),但這種關聯(lián)目前尚不完全清楚。有人不同意此觀點。WLES等發(fā)現(xiàn),磷酸化酶缺乏,不能產(chǎn)生乳酸的疾病患者,運動至疲勞時,同樣產(chǎn)生肌電圖頻譜左移現(xiàn)象。4.2.2 鉀離子

鉀離子是肌細胞內(nèi)的一種重要的陽離子,在維持細胞膜電位的穩(wěn)定和動作電位大小方面發(fā)揮著重要作用。大量研究發(fā)現(xiàn)并證實:運動性肌肉疲勞過程中,肌肉細胞內(nèi)鉀離子含量減少,而細胞外液鉀離子含量增加。體外實驗研究表明:當細胞內(nèi) K+從 182mmol降至 134mmol,肌細胞膜電位就從 -75mv降至 -57mv,說明細胞外高 K+可降低動作電位幅度,減慢興奮傳導速度,從而導致表面肌電信號頻譜左移。

5 肌電圖的未來研究展望

自應用表面肌電信號技術研究肌肉疲勞問題以來,人們對肌肉疲勞過程中表面肌電信號的參數(shù)變化規(guī)律做了大量研究,取得了很大成果,并且隨著計算機技術的發(fā)展,肌電圖也會有更大的發(fā)展。但是還有許多問題應該深入的研究:

1)疲勞時肌電信號產(chǎn)生的確切機制

2)容積傳導問題,也就是常說的交調失真。解決的辦法是對肌電準確定位。

3)表面肌電圖僅測量肌肉的電活動,無法量化肌肉收縮所產(chǎn)生的力量的大小。

4)表面肌電圖在動力性運動中的作用。

[1]李杰譯.肌電學基礎理論的回顧[J].體育科技信息,1995,15(1):11-14.

[2]汪 潔,曲 雷.表面肌電圖臨床應用的可能性與限制[J].國外醫(yī)學物理醫(yī)學與康復學,2000,15(4):169-171.

[3]王 健,劉加海.肌肉疲勞的表面肌電信號特征研究與展望[J].中國體育科技,2003,39(2):4-7.

[4]羅小兵,馬 建.肌電圖在運動性肌肉疲勞研究中的應用現(xiàn)狀[J].成都體育學院學報,1999,25(4):36-38.

[5]封飛虎,等.疲勞前后的肌電圖的頻域特征[J].上海體育學院學報,1996,20(2):31-36.

[6]王 奎,劉建紅,宋剛.sEMG技術在評價運動性疲勞方面的方法及應用[J].安徽體育科技,2004,25(2):49-51.

[7]王篤明,王 健,葛列眾.肌肉疲勞的 sEMG時頻分析技術及其在工效學中的應用[J].航天醫(yī)學與醫(yī)學工程,2003,16(5):387-390.

[8]揚 丹.等長負荷誘發(fā)肱二頭肌疲勞過程中 sEMG信號變化[J].體育與科學,2000,21(9):27-35.

[9]聶金雷,張 勇.運動性疲勞的肌電圖特征[J].天津體院學報,2000,15(2):48-52.

[10]王國祥,李長宏.肘關節(jié)等速運動過程中表面肌電圖的變化特征[J].中國臨床康復,2004,8(12):28-31.

[11]王瑞元,盧鼎厚.極限負荷斜蹲過程中股外肌肌電信號變化及針刺和靜力牽張對其恢復過程的影響[J].北京體育學院學報,1991(3):29-36.

[12]邱龍潛,李 野,等.速負荷誘發(fā)肱二頭肌疲勞過程中 SEMG信號變化[J].溫州大學學報,2003(9):52-54.

Muscle Fatigue Characteristics of the Surface EM G

ZHANG Youlian,MA Guoji

(Physical Education Department,Soochow University,Suzhou Jiangsu,215021)

Muscle fatigue refers to temporary decline of maximal power abilityor contractive ability for muscle movement system.The signal of sEMG can reflect the change of muscle fatigue at certain extent.The test has the characters of non-damage,practicility and multi-target measurement.This article chiefly summarizes the sEMG characateristics of exercise-induced muscle fatigue by literature summary,introducing the main indices of sEMG and its influential factors.

exercise;muscle fatigue;surface EMG

G804.22

A

1003-983X(2011)01-0042-03

2010-11-14

(

張佑璉 (1960-),女,上海人,高級實驗師;研究方向,實驗教學與研究.

蘇州大學體育學院,江蘇蘇州 215021