肌肉組織疲勞過(guò)程的超聲衰減特征

肌肉組織疲勞過(guò)程的超聲衰減特征

李培暢， 崔付俊， 李霖， 劉昕， 李永放， 郭建中*

(陜西師范大學(xué) 物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710119)

摘要：基于超聲波在生物軟組織中的傳播機(jī)理以及肌肉疲勞過(guò)程中組織厚度、彈性等特征的變化，研究了超聲衰減特性與肌肉疲勞過(guò)程的相關(guān)性，理論分析了超聲波幅度隨肌肉疲勞的變化規(guī)律。設(shè)計(jì)針對(duì)右肱二頭肌的實(shí)驗(yàn)，探討了激勵(lì)聲波在逐漸疲勞的組織中傳輸?shù)捻憫?yīng)規(guī)律。同步采集表面肌電信號(hào)，研究肌肉疲勞過(guò)程中肌電信號(hào)與超聲衰減特征的相關(guān)性。理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在肌肉疲勞過(guò)程中，隨著疲勞程度的增強(qiáng)，超聲波傳輸后平均能量幅度逐漸減小，其減小趨勢(shì)滿足指數(shù)衰減規(guī)律，同時(shí)同步采集的表面肌電信號(hào)均方根值呈線性增加趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞:超聲波； 幅度； 衰減； 肌肉疲勞； 表面肌電信號(hào)

中圖分類號(hào):TP391.42 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

文章編號(hào)：1672-4291(2015)01-0051-05

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2015.01.311

收稿日期：2013-11-23

基金項(xiàng)目：陜西省13115科技創(chuàng)新重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目(2010ZDKG—36)

文章編號(hào)：1672-4291(2015)01-0047-04

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2015.01.214

收稿日期：2014-06-27

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21402114); 陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012JQ1002);陜西師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(20140718011);陜西師范大學(xué)大學(xué)生勤助科研資助項(xiàng)目(QZZD14024)

The attenuation of ultrasonic wave in the fatigue muscle tissue

LI Peichang, CUI Fujun， LI Lin， LIU Xin， LI Yongfang, GUO Jianzhong*

(School of Physics and Information Technology, Shaanxi Normal University,

Xi′an 710119, Shaanxi, China)

Abstract:Based on the mechanism of ultrasonic wave propagation in biological soft tissue and the muscle thichness change in the fatigue process,the relationship between ultrasonic attenuation and muscle fatigue are studied.The variations of the ultrasonic amplitude in muscle fatigue are analyzed.Then the corresponding experiments were designed to verify such relation.The surface electromyogram signal synchronized were collected in order to obtain the relationship between the surface electromyogram signal and the ultrasonic attenuation.The results show that the ultrasonic amplitude decreases as an exponential function in fatigue process and the RMS value of the surface electromyogram signal increases linearly.

Key words: ultrasonic wave; amplitude; attenuation; muscle fatigue; surface electromyogram

肌肉疲勞是肌肉組織的一個(gè)重要運(yùn)動(dòng)特征[1]，處理不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重影響人們的日常生活質(zhì)量以及體育運(yùn)動(dòng)的訓(xùn)練效果，準(zhǔn)確估計(jì)肌肉疲勞程度可以有效減小運(yùn)動(dòng)員在比賽訓(xùn)練中受傷的風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。已有研究表明，從人體骨骼肌表面電極記錄的神經(jīng)肌肉活動(dòng)時(shí)發(fā)出的表面肌電信號(hào)(Surface Electromyogram，SEMG)，包含有與肌肉收縮相關(guān)聯(lián)的神經(jīng)及肌肉特征，可以較方便地評(píng)價(jià)肌肉功能狀態(tài)[4-5]。1851年法國(guó)科學(xué)家Duois Reymond首次檢測(cè)到人體肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)，而后SEMG就廣泛地應(yīng)用于肌肉特征的研究[6]。文獻(xiàn)[7]對(duì)人的局部肌肉疲勞的肌電表現(xiàn)研究表明,隨著肌肉疲勞，SEMG的均方根值(RMS)有線性增加趨勢(shì)，之后研究者們進(jìn)一步證明了這一結(jié)論，從而利用這一參數(shù)的變化可逆向估計(jì)肌肉的疲勞狀態(tài)[8-11]。由于SEMG屬于極其微弱的生物電信號(hào)[12]，受噪音干擾影響大，常常淹沒(méi)在噪聲信號(hào)中使得其在幅度上呈現(xiàn)固有的不穩(wěn)定性[13-14]，而基于肌肉疲勞的生化指標(biāo)評(píng)估疲勞程度的方法需要對(duì)人體有創(chuàng)傷的進(jìn)行評(píng)價(jià)[15]。

近年來(lái)研究人員開(kāi)始探討超聲參數(shù)與肌肉功能之間的關(guān)系來(lái)評(píng)估肌肉疲勞。2003年Hodges等研究了超聲成像對(duì)肌肉收縮的測(cè)量[16]，之后McMeeken等研究了腹橫肌厚度與SEMG變化的相關(guān)性[17]。2005年胡躍輝等通過(guò)檢測(cè)超聲圖像中肌肉厚度的變化估計(jì)肌肉疲勞，但這種超聲圖像檢測(cè)方法，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的實(shí)時(shí)處理[9]。嚴(yán)碧歌通過(guò)采用脈沖反射法探討了超聲對(duì)肌肉組織超聲傳輸特性[18-19]，表明肌肉組織超聲傳輸衰減特性具有隨纖維方向結(jié)構(gòu)變化特征，對(duì)研究生物軟組織聲學(xué)特征及其臨床應(yīng)用具有參考價(jià)值。

本文基于超聲波在肌肉組織中的傳播機(jī)理，分析疲勞過(guò)程中的肌肉組織超聲波傳輸衰減特征，設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究在肌肉靜態(tài)疲勞收縮過(guò)程中超聲激勵(lì)信號(hào)在逐漸疲勞的肌肉組織中的傳輸規(guī)律，得到肌肉疲勞狀態(tài)與超聲衰減特征的規(guī)律，以及與同步采集的SEMG估計(jì)肌肉疲勞的相關(guān)性，以探尋一項(xiàng)方便快捷、適合在線實(shí)時(shí)檢測(cè)肌肉組織疲勞的技術(shù)。

1肌肉組織疲勞過(guò)程中超聲傳輸衰減的理論分析

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)因波前擴(kuò)展和材料內(nèi)摩擦以及界面散射造成超聲能量衰減[20]。平面聲波在介質(zhì)中沿直線方向傳播時(shí)，根據(jù)朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律的推導(dǎo)，其振幅衰減[21]可表示為

A=A0e-αx。

(1)

式中:A0為最初的聲波幅度，A為聲波經(jīng)過(guò)x距離后的幅度,α是介質(zhì)的衰減系數(shù)。

超聲圖像檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，疲勞過(guò)程中肌肉的厚度隨時(shí)間變化有非線性增加[10,22]，肌肉厚度的增加量Δx與時(shí)間t(t≤30 s)的關(guān)系[23-24]為

Δx=8.09x0e-0.006t-6.69x0e-0.093t。

(2)

式中:x0為超聲波經(jīng)過(guò)的目標(biāo)肌肉的初始厚度，Δx為隨著疲勞肌肉厚度的增加量。

超聲傳播過(guò)程中，如果傳輸距離增大Δx，由式(1)可得

A=A0e-α(x0+Δx)。

(3)

將式(2)代入式(3)得到

A/A0=e-α(x0+8.09x0e-0.006t-6.69x0e-0.093t) 。

(4)

測(cè)量受試者右肱二頭肌[25]橫向平均厚度x0為4 cm，參照文獻(xiàn)[18]超聲在肌肉組織橫纖維方向傳播時(shí)[18-19]衰減系數(shù)α為5.75 dB/cm2，將二者代入(4)式得到肌肉組織疲勞過(guò)程中時(shí)間與幅度的函數(shù)關(guān)系式為

A/A0=e-23e-186.07e-0.006te153.87e-0.093t。

(5)

式(5)中幅度隨時(shí)間變化如圖1，可得肌肉組織疲勞過(guò)程中幅度衰減近于指數(shù)形式的單調(diào)減函數(shù)。

圖1 疲勞過(guò)程中超聲波幅度隨時(shí)間變化圖

對(duì)于衰減系數(shù)α，在測(cè)量生物組織聲衰減的理論分析中，衰減系數(shù)與聲源頻率相關(guān)[26]，改變聲源頻率可以得到不同頻率下生物組織的超聲衰減系數(shù)，經(jīng)過(guò)曲線擬合可表示為

α=α0fβ。

(6)

式中α0是衰減常數(shù)，在1~7 MHz頻率范圍[27]內(nèi)β的值為1.07~1.14。由公式(6)可知生物組織聲衰減系數(shù)隨入射頻率f的變化關(guān)系，那么隨著f增大，衰減系數(shù)α越大,衰減程度隨之加強(qiáng)。

2 實(shí)驗(yàn)

公式(5)表明隨著肌肉疲勞過(guò)程中肌肉厚度Δx逐漸增加，聲波幅度A的衰減近似一個(gè)指數(shù)函數(shù)衰減。公式(6)表明隨著入射聲波頻率f的增大，超聲波的衰減系數(shù)α增大，聲波衰減程度增強(qiáng)。

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)肌肉疲勞過(guò)程中超聲波幅度衰減規(guī)律滿足指數(shù)函數(shù)衰減以及超聲波幅度衰減與入射的超聲波頻率相關(guān)，我們?cè)O(shè)計(jì)了肌肉組織疲勞過(guò)程中的超聲傳輸衰減測(cè)量實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。其中由計(jì)算機(jī)控制信號(hào)發(fā)生器(RIGOL，型號(hào)DG3101A)產(chǎn)生相應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)超聲換能器[28-29](OLYMPUS，型號(hào)A306S—SU)產(chǎn)生超聲波在肌肉組織中傳輸，由另一端換能器(OLYMPUS，型號(hào)A327S—SU)接收，計(jì)算機(jī)控制示波器(TELEDYNE LECROY，型號(hào)HD4096)采集數(shù)據(jù)并顯示響應(yīng)信號(hào)，同時(shí)目標(biāo)肌肉處由多導(dǎo)運(yùn)動(dòng)生物電記錄分析儀(Biovision，16/32便攜式)同步采集SEMG。

肌肉組織疲勞測(cè)量方法：受試者(分別對(duì)6名受試者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，男性，平均年齡25周歲)坐在帶有等速肌力測(cè)試系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)椅(北京普康科健醫(yī)療設(shè)備有限公司，型號(hào)ISOMED— 2000)上，身體由背帶固定用以限制測(cè)試中受試者姿勢(shì)的變化，右臂前臂固定，手握力矩桿施力。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

為統(tǒng)一不同體質(zhì)受試者的施力情況，用各受試者的最大自主收縮力矩對(duì)其施力情況進(jìn)行歸一化處理[30]。最大自主收縮力矩測(cè)量法是:受試者進(jìn)行3次等距的最大自主收縮，即手握力矩桿使出最大的力矩的平均值，定義為最大自主收縮力矩[31]。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，要求受試者對(duì)力矩桿施加最大自主收縮力矩50%的力，并保持該力，開(kāi)始調(diào)頻信號(hào)、SEMG的數(shù)據(jù)采集。每位受試者測(cè)試時(shí)間為300 s。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3　超聲傳輸衰減測(cè)量系統(tǒng)

2.2數(shù)據(jù)采集

2.2.1 超聲調(diào)頻信號(hào)的激勵(lì)與采集為更準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)際超聲能量，選取調(diào)頻信號(hào)為激勵(lì)來(lái)研究其響應(yīng)的衰減情況。調(diào)頻信號(hào)通過(guò)換能器及肌肉組織后較穩(wěn)定[32]，在接收端的響應(yīng)不易受噪聲干擾，便于觀察信號(hào)變化規(guī)律。將兩個(gè)超聲換能器分別置于右肱二頭肌兩側(cè)，由鐵架臺(tái)及夾子固定，在換能器與皮膚之間填充耦合劑(TM-100型醫(yī)用超聲耦合劑)。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)連接輸入端換能器[33]，經(jīng)逐漸疲勞的肌肉組織傳輸至接收端換能器(中心頻率為10 MHz)[34]由示波器顯示波形。計(jì)算機(jī)編程控制示波器每間隔15 s采集一次數(shù)據(jù)，持續(xù)300 s，整理數(shù)據(jù)，采集到響應(yīng)的調(diào)頻信號(hào)(以輸入端換能器中心頻率2.25 MHz為例)如圖4所示。

圖4　肌肉疲勞過(guò)程中不同時(shí)間點(diǎn)的超聲調(diào)頻信號(hào)

2.2.2 SEMG數(shù)據(jù)采集同步調(diào)試多導(dǎo)運(yùn)動(dòng)生物電記錄分析儀，連接電極貼片(陽(yáng)光牌一次性使用心電電極，100-A型)，用酒精棉輕抹置放電極處皮膚，以減低電阻，貼上兩張電極貼片，再選擇適當(dāng)位置貼一張電極貼片作為參考電極，計(jì)算機(jī)控制，與超聲信號(hào)同步采集300 s，采集到的SEMG如圖5所示。

圖5　采集的表面肌電信號(hào)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 超聲信號(hào)衰減擬合曲線的選擇

模型擬合的好壞程度用決定系數(shù)(R2)來(lái)衡量[35]，確定系數(shù)的正常取值范圍為0~1，越接近1表明變量的解釋能力越強(qiáng)，模型對(duì)數(shù)據(jù)的擬合也越好。對(duì)疲勞過(guò)程中調(diào)頻信號(hào)的幅度積分求平均值，由計(jì)算機(jī)擬合不同的函數(shù)模型，分別為線性函數(shù)、二次函數(shù)以及指數(shù)函數(shù)，如圖6(輸入端換能器中心頻率為2.25 MHz時(shí)的數(shù)據(jù))和如圖7(輸入端換能器中心頻率為5 MHz時(shí)的數(shù)據(jù))?？梢钥闯?，當(dāng)受試者手握力矩桿維持最大自主收縮力矩50%的力，肌肉逐漸疲勞，響應(yīng)信號(hào)的幅度衰減。分別比較線性函數(shù)、二次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)3種模型[36]的確定系數(shù)發(fā)現(xiàn)，指數(shù)函數(shù)的擬合度最高，對(duì)數(shù)據(jù)解釋能力最強(qiáng)。結(jié)合理論分析，信號(hào)幅度衰減近似于指數(shù)函數(shù)形式衰減。因此選擇指數(shù)形式為擬合方式。

圖62.25 MHz時(shí)不同模型的曲線擬合

Fig.6 Curve fitting with different models for 2.25 MHz

圖7　5 MHz時(shí)不同模型的曲線擬合

3.2 超聲頻率變化對(duì)衰減的影響

肌肉組織疲勞的超聲波衰減特征實(shí)驗(yàn)中，以調(diào)頻信號(hào)為激勵(lì)信號(hào)，固定接收端中心頻率為10 MHz的超聲換能器，改變輸入端換能器中心頻率以產(chǎn)生不同入射頻率的超聲波，分別取中心頻率為1、5、7.5 MHz的換能器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。探索不同的入射波頻率[37]對(duì)響應(yīng)調(diào)頻信號(hào)幅度衰減的影響，整理分析采集到的數(shù)據(jù)，當(dāng)輸入端換能器中心頻率不同時(shí)響應(yīng)信號(hào)的平均幅度曲線如圖8所示。隨時(shí)間肌肉逐漸疲勞，響應(yīng)信號(hào)的幅度都逐漸下降，趨勢(shì)均近似指數(shù)函數(shù)下降。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：1 MHz時(shí)曲線下降率為4.27%，下降最為平緩；5 MHz時(shí)下降55.49%；而在輸入端為中心頻率7.5 MHz的換能器時(shí)下降85.10%，下降趨勢(shì)最陡,即衰減程度最大。

圖8　不同入射頻率的響應(yīng)信號(hào)

3.3疲勞過(guò)程中超聲衰減與SEMG變化規(guī)律的相關(guān)性

如圖9a、9b所示當(dāng)輸入端換能器中心頻率分別為2.25、5 MHz時(shí)，超聲波經(jīng)過(guò)疲勞的肌肉組織，由接收端換能器接收到的響應(yīng)信號(hào)平均幅度值都在逐漸衰減。同步采集的SEMG，之后處理數(shù)據(jù)分析其均方根值變化規(guī)律如圖9c、9d所示。當(dāng)目標(biāo)肌肉組織逐漸疲勞時(shí)，SEMG的均方根值呈線性增加的趨勢(shì)。對(duì)比圖9研究超聲衰減與SEMG變化規(guī)律的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，同步肌肉疲勞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，隨著超聲波幅度逐漸衰減，SEMG均方根值呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖9幅度下降曲線與肌電信號(hào)變化規(guī)律對(duì)比圖

Fig.9Ultrasonic response signal amplitude decreased as EMG variation curve comparison chart

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：(1)超聲波在逐漸疲勞的肌肉組織中傳輸后，其幅度逐漸減小，用不同函數(shù)模型擬合發(fā)現(xiàn)，指數(shù)函數(shù)的確定系數(shù)最高，說(shuō)明超聲波幅度衰減滿足指數(shù)函數(shù)的衰減規(guī)律。(2)隨著肌肉組織疲勞，改變?nèi)肷涑暡l率，發(fā)現(xiàn)同一頻率對(duì)應(yīng)的幅度曲線均逐漸下降，并且隨入射頻率的增大，對(duì)應(yīng)的幅度下降曲線變得更陡峭，即衰減增強(qiáng)，衰減系數(shù)增大，由此所得在逐漸疲勞的肌肉組織中，隨著超聲波入射頻率的增大，衰減增強(qiáng)。(3)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所采集到的SEMG的均方根值呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，結(jié)合已有研究[10]，驗(yàn)證了超聲波經(jīng)過(guò)的目標(biāo)肌肉組織處于實(shí)驗(yàn)所要求的逐漸疲勞狀態(tài)。(4)研究肌肉疲勞過(guò)程中超聲波衰減特征與SEMG變化規(guī)律的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，隨著SEMG的均方根值線性增加，同步經(jīng)過(guò)目標(biāo)肌肉的超聲波幅度在非線性衰減，并且其衰減形式滿足指數(shù)函數(shù)形式衰減。

4 結(jié)果與討論

本文基于超聲波在肌肉組織中的傳輸機(jī)理，對(duì)疲勞過(guò)程中的肌肉組織超聲波傳輸衰減特性進(jìn)行了理論分析，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，在傳輸過(guò)程中隨組織疲勞，超聲波幅度衰減且滿足指數(shù)形式的衰減；分析衰減系數(shù)與入射超聲波頻率的關(guān)系，得出隨著入射超聲波頻率的增大，幅度衰減程度加大，衰減系數(shù)增大。實(shí)驗(yàn)同步采集的SEMG的均方根值呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且隨SEMG的均方根值線性增加，同步經(jīng)過(guò)目標(biāo)肌肉的超聲波幅度在非線性衰減。另外，我們發(fā)現(xiàn)，換能器的位置對(duì)回波信號(hào)的大小以及信噪比有一定影響，但并不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

研究肌肉疲勞過(guò)程中的超聲衰減特性，分析超聲波通過(guò)逐漸疲勞的肌肉組織后的幅度變化規(guī)律，可以將該規(guī)律應(yīng)用在實(shí)際生活或者運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練中?？梢酝ㄟ^(guò)判斷超聲波幅度衰減的程度來(lái)估計(jì)肌肉疲勞程度[38]，從而進(jìn)行科學(xué)合理的訓(xùn)練。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，激勵(lì)響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于SEMG的強(qiáng)度，因此受到周圍環(huán)境干擾的程度小，所得響應(yīng)信號(hào)失真度小。本實(shí)驗(yàn)首次設(shè)計(jì)了一套肌肉組織疲勞過(guò)程超聲傳輸衰減測(cè)量系統(tǒng)，可以定性判斷肌肉疲勞程度，在運(yùn)動(dòng)學(xué)以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著非常重要的意義。后續(xù)工作中，對(duì)于設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)，在精度與裝置簡(jiǎn)易方面要做進(jìn)一步優(yōu)化；探討不同因素對(duì)測(cè)量的影響，比如超聲換能器的位置；另外，需要對(duì)響應(yīng)信號(hào)在頻域范圍[39]內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)展分析。

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〔責(zé)任編輯 李博〕

第一作者：張文發(fā)，男，碩士，研究方向?yàn)榉尤?shù)脂及衍生制品。E-mail:wfzhang@stu.snnu.edu.cn

*通信作者：劉春玲，女，教授,博士生導(dǎo)師。E-mail: clliutt@snnu.edu.cn

第一作者：郝長(zhǎng)春, 男, 講師, 博士, 研究方向?yàn)樯镂锢韺W(xué)。E-mail: haochangchun@snnu.edu.cn