對(duì)踝關(guān)節(jié)主要屈伸肌群sEMG測量標(biāo)準(zhǔn)化驗(yàn)證研究

郭東雪 ，黃 振 ，陳 偉 ，李小生 ，王 琨 *

0 前言

表面肌電圖（sEMG）的測量與分析是肌肉生物力學(xué)研究中重要的手段與方法之一，已得到深入研究且應(yīng)用廣泛。sEMG的測量主要是為了獲取肌肉活動(dòng)的放電情況及收縮特征，主要包括肌肉（群）發(fā)力時(shí)序、肌肉疲勞與肌肉的收縮強(qiáng)度（力量）等。由于在人體測量中受一些因素（如皮下脂肪厚度、肌纖維類型、肌肉靜息長度、肌容積/橫截面積、收縮的速率、姿勢(shì)的微小變化、年齡及性別等）和操作過程中的不可控因素（如皮膚阻抗、電極間的距離）的影響[1-4]，因此對(duì)不同受試者同一肌肉或同一受試者不同肌肉的sEMG測量指標(biāo)直接進(jìn)行比較分析是不準(zhǔn)確的，對(duì)肌肉sEMG進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化測量則顯得尤為重要。

本研究主要對(duì)人體運(yùn)動(dòng)（體育運(yùn)動(dòng)）中受試者各肌肉之間和不同受試者同一肌肉之間的肌肉收縮特征比較分析，并通過比較所獲得的跳深動(dòng)作sEMG各參數(shù)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值與人體靜力性和動(dòng)力性動(dòng)作中的肌肉各種收縮方式（速度）下的sEMG信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化值和標(biāo)準(zhǔn)化測量方法進(jìn)行研究，找出sEMG指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化與非標(biāo)準(zhǔn)化之間的差異，為肌肉間和個(gè)體間sEMG的比較提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

以體育專業(yè)12名健康男性大學(xué)生為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，運(yùn)動(dòng)年限均在3年以上，以sEMG各參數(shù)、等速肌力值以及跳深動(dòng)作踝關(guān)節(jié)屈伸肌的sEMG為研究對(duì)象來獲取sEMG測量的標(biāo)準(zhǔn)化值并研究標(biāo)準(zhǔn)化前后的差異。實(shí)驗(yàn)對(duì)象基本情況：年齡為（20.17±0.94）歲，身高為（171.83±3.54） m，體重為（66.33±4.33） kg，BMI為（22.44±0.3） kg/m-2。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 sEMG測試

運(yùn)用無線遙測肌電測試儀 （MegaWin6000，芬蘭），采樣頻率為 1 000 Hz[5]，測試肌肉為踝關(guān)節(jié)伸肌（右側(cè)腓腸肌后段）和屈?。ㄓ覀?cè)脛骨前?。?，并與等速肌力及高速攝影同步。

1.2.2 踝關(guān)節(jié)屈伸肌群等速肌力測試

受試者嚴(yán)格按照等速力量測試的規(guī)范要求，在等速力量測試系統(tǒng)（ISOMED2000，德國）上完成右側(cè)踝關(guān)節(jié)伸屈肌群最大隨意等長收縮 （MVIC）、60°/s、180°/s的等速向心收縮測試[6-8]。每一測試速度下重復(fù)完成5次屈伸，取峰力矩最大值。

1.2.3 跳深測試

受試者按跳深測試要求完成動(dòng)作。用一臺(tái)攝像機(jī)（CASIO-FH25，日本）定點(diǎn)拍攝受試者的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程。機(jī)距10 m，機(jī)高1.2 m，拍攝頻率為120 Hz[5]。

1.3 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

1.3.1 數(shù)據(jù)的讀取

通過圖像解析軟件APAS獲取受試者跳深的騰空時(shí)間，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式計(jì)算出人體重心的騰起高度及騰起速度。

通過等速測試結(jié)果選取所需的不同動(dòng)作的力矩值，并確認(rèn)相應(yīng)的肌電圖時(shí)段。通過視頻與肌電圖的同步進(jìn)一步精確所需肌電圖時(shí)段。將峰力矩最大值及 sEMG 各指標(biāo)（MA、RMS、iEMG）在 Excel中進(jìn)行平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及標(biāo)準(zhǔn)化值的計(jì)算，并繪制相關(guān)的數(shù)據(jù)表格。

1.3.2 統(tǒng)計(jì)方法

運(yùn)用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所獲表面肌電參數(shù)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)及運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行常規(guī)的統(tǒng)計(jì)學(xué)處理并進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析與獨(dú)立樣本T檢驗(yàn) （受試者姓名用①～來表示）。

2 研究結(jié)果

2.1 等速肌力與sEMG的關(guān)系

平均振幅（MA）反映肌電信號(hào)的強(qiáng)度，與肌肉參與的運(yùn)動(dòng)單位數(shù)目的多少及放電頻率的同步化變化程度有關(guān)[1,3]，而力矩值則代表了肌力的大小。本研究選取的是相同時(shí)段內(nèi)的MA與力矩值的變化趨勢(shì)來研究肌力與sEMG的關(guān)系。

一般認(rèn)為肌肉用力越大，肌電信號(hào)就越強(qiáng)。根據(jù)Kellis、蔣海鷹等人對(duì)人體下肢各肌肉肌力及肌電的研究可知等長肌力與肌電之間有一定的線性關(guān)系[10-12]，也就是兩者之間存在一定的相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)，MVIC下伸肌和屈肌肌力矩與MA的相關(guān)系數(shù)r分別為0.81、0.85，與前人研究結(jié)果相符。60°/s等速向心收縮中，伸肌和屈肌肌力矩與MA的相關(guān)系數(shù) r分別為 0.61、0.84；180°/s等速向心收縮中，伸肌和屈肌肌力矩與MA的相關(guān)系數(shù)r分別為0.64、0.88，均顯著相關(guān)。表明同一動(dòng)作過程中，伸肌和屈肌肌力矩與MA的趨勢(shì)變化在0.01水平上呈高度的正相關(guān)。

根據(jù)力-速度曲線可知，肌肉收縮的力與其收縮速度成反比，即在一定范圍內(nèi)，速度越快，肌肉收縮力量越小，當(dāng)肌肉收縮張力達(dá)到最大值時(shí)，肌肉的收縮速度為零即等長收縮[13]。

由表1可知，踝關(guān)節(jié)MVIC中的肌力矩值最大，屈伸肌在收縮速度增加的情況下，力矩值越來越小，符合力-速度曲線的規(guī)律。踝關(guān)節(jié)在等速60°/s和180°/s向心收縮的力矩值與MVIC峰力矩相比都呈現(xiàn)出非常顯著性差異P＜0.01。此外不同收縮方式、不同收縮速度下伸肌的力矩值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于屈肌，踝關(guān)節(jié)在MVIC和兩種速度下的向心收縮中屈、伸肌力矩值有非常顯著的差異性P＜0.01。

表1 不同收縮方式、不同收縮速度下踝關(guān)節(jié)的肌峰力矩值（N·m）（X±S）Table I Muscle Peak Torque Values(Nom)of the Ankle Joint under Different Contraction Modes and Different Contraction Speeds(X±S)

由表2可知，伸肌與屈肌MVIC和等速60°/s、180°/s向心收縮的RMS值與 iEMG的值均隨收縮速度的增大而減小。等速60°/s向心收縮的RMS、iEMG值與MVIC相比P＜0.05，差異性顯著；等速180°/s向心收縮的 RMS、iEMG值與 MVIC相比P＜0.01，差異性非常顯著。在相同收縮方式下，踝關(guān)節(jié)伸肌的RMS、iEMG值均小于屈肌，且P＜0.01差異性非常顯著。這與前面的研究結(jié)果不符，因此有必要進(jìn)行sEMG測量的標(biāo)準(zhǔn)化。

表2 不同收縮形式、不同收縮速度下的RMS、iEMG（uV）Table II RMS and iEMG(uV)under Different Contraction Modes and Different Contraction Speeds

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化測量的檢驗(yàn)

由于肌肉的收縮包含靜力性與動(dòng)力性兩種收縮方式，是以靜力性的MVIC還是動(dòng)力性的等速向心收縮作為標(biāo)準(zhǔn)化值需進(jìn)一步的進(jìn)行探索。跳深動(dòng)作中下肢肌肉在較短時(shí)間內(nèi)可完成離心、等長和向心收縮之間的轉(zhuǎn)換[14-17]，且跳深動(dòng)作的騰起速度也是反映肌肉爆發(fā)力的重要指標(biāo)，因此跳深是作為本研究基于實(shí)際動(dòng)作檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化有效性的最佳選擇。

2.2.1 跳深動(dòng)作中不同人同一肌肉標(biāo)準(zhǔn)化前后RMS、iEMG的對(duì)比

由表3可知伸肌RMS值在標(biāo)準(zhǔn)化前后有了明顯的變化。標(biāo)準(zhǔn)化前，受試者⑦的RMS值最大，受試者③最小，以MVIC作為標(biāo)準(zhǔn)處理后，受試者⑤RMS的值變?yōu)樽钚?，受試者①變?yōu)樽畲?，且其他受試者的RMS值順序發(fā)生了相應(yīng)的變化。分別以等速60°/s和180°/s向心收縮值作為標(biāo)準(zhǔn)處理后，各受試者標(biāo)準(zhǔn)化前后的大小都有一定的變化。此外，等速60°/s向心收縮作為標(biāo)準(zhǔn)與MVIC比較無顯著差異，P＞0.05，而等速180°/s向心收縮與MVIC相比有顯著的差異，P＜0.05。

表3 踝關(guān)節(jié)屈伸肌標(biāo)準(zhǔn)化前后RMS的值Table III RMS Values before and after Standardization of Ankle Joint Flexor and Extensor

屈肌RMS值在標(biāo)準(zhǔn)化前后也出現(xiàn)了不同。標(biāo)準(zhǔn)化前受試者①③⑦⑨的RMS值較大，受試者④⑤⑩的值較小 ，標(biāo)準(zhǔn)化之后值大小發(fā)生了變化，以MVIC作為標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)化前對(duì)比，所有受試者RMS值大小前后變化不大，以60°/s作為標(biāo)準(zhǔn)，受試者⑤的值明顯變大，受試者③卻變小了，以180°/s作為標(biāo)準(zhǔn)可以看出受試者⑧的值明顯變大。此外，等速60°/s向心收縮作為標(biāo)準(zhǔn)與MVIC比較無顯著差異，P＞0.05,而等速180°/s向心收縮與MVIC相比有顯著的差異，P＜0.05。

由表4可知伸肌iEMG值標(biāo)準(zhǔn)化前后也發(fā)生了變化。標(biāo)準(zhǔn)化前所有受試者伸肌iEMG值最大值為受試者⑧，受試者⑦次之，最小為受試者，以MVIC作為標(biāo)準(zhǔn)處理后，受試者①最大，受試者⑧靠后，最小依舊為受試者；以60°/s作為標(biāo)準(zhǔn)，受試者⑧⑦和⑩的順序不變，而其他受試者標(biāo)準(zhǔn)化前后iEMG值的大小有明顯的變化；以180°/s作為標(biāo)準(zhǔn)處理后，所有受試者RMS標(biāo)準(zhǔn)化值出現(xiàn)了不同程度的變動(dòng)。此外，以等速60°/s向心收縮作為標(biāo)準(zhǔn)與MVIC比較無顯著差異，P＞0.05，而以等速180°/s向心收縮作為標(biāo)準(zhǔn)處理后的值與MVIC相比有顯著的差異，P＜0.01。

表4 踝關(guān)節(jié)屈伸肌標(biāo)準(zhǔn)化前后iEMG的值Table IV iEMG Values before and after Standardization of Ankle Joint Flexor and Extensor

以MVIC作為標(biāo)準(zhǔn)，所有受試者屈肌iEMG值標(biāo)準(zhǔn)化前后大小浮動(dòng)不大，可能是由于附著在踝關(guān)節(jié)屈?。劰乔凹。┑钠ぶ^薄，對(duì)肌電信號(hào)的采集影響不大，然而以等速60°/s向心收縮作為標(biāo)準(zhǔn)與 MVIC比較有顯著差異，P＜0.05，而等速180°/s向心收縮與MVIC相比有非常顯著的差異，P＜0.01。

且由表3可知，跳深動(dòng)作中，伸肌RMS均值為339.33，屈肌 RMS均值為227.92，伸肌RMS值大于屈肌，由表4可知，跳深動(dòng)作中，伸肌iEMG均值為269，屈肌iEMG均值為172.33。伸肌iEMG值大于屈肌，同時(shí)可以看出無論以MVIC還是以兩種向心收縮速度為標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化之后的RMS值和iEMG值均為伸肌大于屈肌，符合動(dòng)作中肌肉用力規(guī)律，而以哪種收縮方式或收縮速度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化最為合適，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化前后RMS、iEMG值與跳深騰起速度的相關(guān)性

運(yùn)動(dòng)員的騰起初速度V0決定了重心的上升高度（H），速度越快騰起高度越高，因此可以用騰起速度的大小來反映標(biāo)準(zhǔn)化的有效性[18]。

由表5可知，伸肌RMS標(biāo)準(zhǔn)化前的相關(guān)系數(shù)為r=0.48，P＞0.05，與騰起速度不相關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)化之后，以MVIC和等速60°/s向心收縮為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后的值與騰起速度均相關(guān)，均呈顯著相關(guān)。以MVIC為標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化值相關(guān)性高于以等速60°/s向心收縮為標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化值。而以180°/s向心收縮為標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化值與騰起速度不相關(guān)。伸肌iEMG標(biāo)準(zhǔn)化前的值與騰起速度也不相關(guān)。3種標(biāo)準(zhǔn)化方式下的iEMG值均與騰起速度有關(guān)，其中以MVIC為標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)性最大。

表5 伸肌RMS、iEMG值標(biāo)準(zhǔn)化前后與騰起速度的相關(guān)結(jié)果Table V Relations between Jumping Speed and the Values of RMS and iEMG of Extensors before and after Standardization

由表6可知，屈肌RMS標(biāo)準(zhǔn)化前的相關(guān)系數(shù)為r=0.63，P＜0.05與騰起速度相關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)化之后，3種標(biāo)準(zhǔn)化方式下的RMS值均與騰起速度有關(guān)，且P值均小于0.05，相關(guān)性顯著。其中以MVIC作為標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)性最大，以等速60°/s向心收縮作為標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)性次之，以180°/s向心收縮作為標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)性最小。屈肌iEMG標(biāo)準(zhǔn)化前的值與騰起速度不相關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)化之后，以MVIC為標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)為0.71，以等速60°/s向心收縮作為標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)系數(shù)為0.64，均呈顯著相關(guān)。而以180°/s向心收縮為標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化值與騰起速度的相關(guān)性雖為0.44，但P＞0.05，說明其與騰起速度的相關(guān)性不大。綜合表5、表6可知以MVIC作為標(biāo)準(zhǔn)，RMS、iEMG與跳深騰起速度的相關(guān)性最大。

表6 屈肌RMS、iEMG值標(biāo)準(zhǔn)化前后與騰起速度的相關(guān)結(jié)果Table VI Relations between Jumping Dpeed and the Values of RMS and iEMG of Flexors before and after Standardization

3 分析與討論

綜合表1、表 2可以看出，sEMG的 RMS、iEMG的值與相對(duì)應(yīng)的肌力矩值在同一肌肉不同收縮速度下所呈現(xiàn)出的規(guī)律較為一致，而在不同肌肉同種收縮形式下所呈現(xiàn)的規(guī)律有所不同，從力矩與MA的高度相關(guān)性來看，伸肌力矩值到屈肌力矩值有減小的趨勢(shì)，相應(yīng)的sEMG值也隨之減小，而踝關(guān)節(jié)屈伸肌sEMG值對(duì)比中出現(xiàn)了屈肌值大于伸肌的相反結(jié)果。可想而知，用得到的表面肌電圖參數(shù)值是不能直接用于肌肉間的比較的。因此若要實(shí)現(xiàn)對(duì)同一受試者的不同肌肉或不同受試者的同一肌肉之間sEMG測試指標(biāo)進(jìn)行比較，就必須進(jìn)行肌肉sEMG的標(biāo)準(zhǔn)化測試。

需要強(qiáng)調(diào)的是積分肌電的標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于它是所得肌電信號(hào)經(jīng)整流濾波求單位時(shí)間內(nèi)曲線下面積的總和，即肌電圖曲線在時(shí)間軸下包圍的面積大小，且不同受試者完成測試動(dòng)作的時(shí)間不可能完全相同，導(dǎo)致測試肌肉的iEMG結(jié)果不對(duì)等，所以不能直接進(jìn)行比較，必須先進(jìn)行時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)化處理[22]，消除在時(shí)間上的不等因素，以保證結(jié)果的一致性和可比性。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行以MVIC為標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化處理進(jìn)行肌肉間的比較。然而在查閱大量文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)都是直接應(yīng)用積分肌電的值，并未作標(biāo)準(zhǔn)化處理。如郭建龍的研究發(fā)現(xiàn)受試者跳深著地階段緩沖期的積分肌電值大于蹬伸期值，正常狀態(tài)下跳深時(shí)，下肢所測大多數(shù)肌肉的表面積分肌電值均比相對(duì)疲勞狀態(tài)下的值大[23]。但從數(shù)據(jù)值來看未進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，推測標(biāo)準(zhǔn)化處理后結(jié)果可能有變化。

跳深動(dòng)作中，從不同人同一肌肉標(biāo)準(zhǔn)化前后RMS、iEMG的對(duì)比中分析發(fā)現(xiàn)，皮下脂肪的厚度對(duì)sEMG信號(hào)采集的影響較大。從運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)角度來分析，屈肌位于小腿屈嵴外側(cè)[19]，皮下脂肪較薄，對(duì)于表面肌電信號(hào)的采集干擾較小，因此所采集到的屈肌sEMG參數(shù)值較為準(zhǔn)確，標(biāo)準(zhǔn)化前后的變化不大。而伸肌位于小腿后方皮下，脂肪厚度較屈肌而言大得多，干擾性強(qiáng)，標(biāo)準(zhǔn)化前后變化差異會(huì)較為明顯。

在跳深動(dòng)作中，緩沖階段的伸肌做離心收縮，肌肉中的彈性成分被拉長從而產(chǎn)生阻力，與此同時(shí)肌肉中的彈性成分也產(chǎn)生了最大阻力，加之牽張反射使得伸肌產(chǎn)生較大的張力。此外，蹬伸階段伸肌作為原動(dòng)肌做向心收縮使踝關(guān)節(jié)背伸，兩個(gè)階段充分發(fā)揮作用的伸肌活性被充分激活，放電量也隨之變大[20,21]。而屈肌作為伸肌的拮抗劑，較伸肌的放電量會(huì)相應(yīng)的小一些。從同一人不同肌肉標(biāo)準(zhǔn)化前后RMS、iEMG的對(duì)比中分析發(fā)現(xiàn)，3人伸肌的RMS值小于屈肌，而在iEMG值的對(duì)比中卻出現(xiàn)了4個(gè)人的屈肌大于了伸肌，因此需通過標(biāo)準(zhǔn)化處理后分析sEMG數(shù)據(jù)，以此判斷肌肉用力大小。

結(jié)合跳深動(dòng)作當(dāng)中踝關(guān)節(jié)屈伸肌的用力大小以及不同方式標(biāo)準(zhǔn)化后與跳深騰起速度的相關(guān)性分析可知，以MVIC作為標(biāo)準(zhǔn)化值最為合理。通常的做法是采集所選肌肉MVIC下的表面肌電，并取3次肌電幅值的平均值作為參考值。這里面的難點(diǎn)是肌肉做MVIC動(dòng)作的選取。一般有兩種形式：一種是通過等速肌力測試的方法，測試單關(guān)節(jié)肌群MVIC時(shí)的表面肌電；另一種是通過1RM動(dòng)作測試來獲取所選肌肉表面肌電圖。然而兩種方式均是多個(gè)肌群共同收縮的結(jié)果，并非所選肌肉真正MVIC下的肌電值，因此選取最佳MVIC測試動(dòng)作是關(guān)鍵。本文MVIC采用的是等速肌力測試法，后續(xù)研究將選用1RM測試做進(jìn)一步的驗(yàn)證。

4 結(jié)論

跳深動(dòng)作下肢肌肉標(biāo)準(zhǔn)化前后的sEMG值比較情況發(fā)生了明顯的變化，以最大隨意等長收縮為標(biāo)準(zhǔn)的sEMG標(biāo)準(zhǔn)化值與跳深騰起速度的相關(guān)性最高，因此要進(jìn)行不同人同一肌肉或同一人不同肌肉之間sEMG的比較，以最大隨意等長收縮作為標(biāo)準(zhǔn)最為合理。