表面肌電信號分析方法及其在體育領(lǐng)域中的醫(yī)藥應(yīng)用

夏培玲 劉昕 姜廣富

摘 要：表面肌電信號（sEMG）能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確且在無損傷的狀態(tài)下反映肌肉活動的狀態(tài)和功能狀態(tài)。表面肌電信號有多種 分析方法，包括時頻分析、參數(shù)模型分析、非線性指標(biāo)分析等。表面肌電信號在臨床診斷，康復(fù)醫(yī)學(xué)以及運(yùn)動醫(yī)學(xué)中都具 有重要意義。本文介紹了表面肌電信號常用的分析方法，以及其在體育運(yùn)動領(lǐng)域的研究情況，結(jié)果顯示，體育運(yùn)動領(lǐng)域中運(yùn)用表面肌電信號進(jìn)行動作技術(shù)診斷、肌肉疲勞評估等方面研究廣泛。

關(guān)鍵詞：表面肌電信號 時頻分析 體育運(yùn)動

中圖分類號：G804.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2813（2018）07（a）-0006-03

表面肌電信號（sEMG）是在皮膚表面通過電極引導(dǎo)、放大從而記錄下來的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在活動時的生物電信號，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確且在無損傷的狀態(tài)下反映肌肉活動的狀態(tài)和功能狀態(tài)。通常所獲得的肌電信號是一組一維時間序列信號，它的變化與所參加活動的運(yùn)動單位的類型、數(shù)量、放電頻率，以及動作電位的傳導(dǎo)速度皮下脂肪厚度等因素有關(guān)[1]。由于表面肌電具有安全性特征，它被廣泛應(yīng)用于人體運(yùn)動學(xué)的研究領(lǐng)域，用表面電極去探測運(yùn)動中肌肉表面的電信號，表面肌電也存在缺點(diǎn)，它的主要缺點(diǎn)是只能研究活動中表面肌肉的肌電特征，無法探測到深層肌肉的肌電活動特征。

1 sEMG信號常用分析方法

表面肌電信號常用的分析方法為時、頻分析方法。時域分析方法主要包括積分肌電值（iEMG）和均方根值（RMS）。積分肌電值是指肌肉在一定的時間內(nèi)參與運(yùn)動的運(yùn)動單位放電量的總和，其值的大小在某種程度上反映出參加工作的運(yùn)動單位的數(shù)量及運(yùn)動單位的放電量大小[2]，是評價肌肉疲勞的重要手段之一。運(yùn)動進(jìn)行時，最先參與運(yùn)動的運(yùn)動單位開始疲勞，需要募集更多的運(yùn)動單位，使肌肉的放電現(xiàn)象逐漸增強(qiáng)，所以單位時間內(nèi)的iEMG也隨之增加；運(yùn)動單位疲勞后，參加收縮的運(yùn)動單位逐漸減少，頻率逐漸下降，表現(xiàn)出的iEMG也有所降低[3]。均方根值（RMS）是用來描述一段時間內(nèi)肌電的平均變化特征，肌電幅值的變化決定了均方根值的大小，但是它不能反映肌電信號細(xì)節(jié)的變化。在頻域分析方面，主要指標(biāo)有平均功率頻率（MPF）和中位頻率（MF）。對低負(fù)荷運(yùn)動條件下頻譜的變化有高度敏感性的指標(biāo)是平均功率頻率（MPF），MPF隨運(yùn)動時間的延長而減小，負(fù)荷越大，減小就越明顯。中位頻率（MF）是肌纖維放電頻率的中間值，它將能量譜的能量一分為二。MPF和MF都可反映肌電信號在不同頻率分量的變化，但在具體研究中MPF對反映肌肉活動狀態(tài)和功能狀態(tài)方面更具敏感性[1]。

表面肌電信號也發(fā)展了將時頻或幅頻結(jié)合起來分析的方法。比如幅頻聯(lián)合分析（JASA）就是一種同時考慮EMG振幅和頻率變化的一種疲勞測定分析方法[4]；小波分析法也是把時域和頻域結(jié)合起來進(jìn)行分析，它是研究非平穩(wěn)信號的一種有效方法，在生理信號分析中得到了廣泛的應(yīng)用[5]。

然而，表面肌電信號往往是隨著肌肉的活動呈現(xiàn)出非穩(wěn)定信號的變化特征，傳統(tǒng)的時頻分析就會受到一定的限制，所以產(chǎn)生了非線性分析方法，如信號關(guān)聯(lián)維數(shù)、肌肉復(fù)雜度、分形分析等[6]。

2 sEMG信號進(jìn)行專項(xiàng)動作技術(shù)診斷

許多研究者們利用表面肌電技術(shù)來對不同運(yùn)動項(xiàng)目的技術(shù)動作改進(jìn)和專項(xiàng)訓(xùn)練進(jìn)行監(jiān)測。趙偉科等人[7]對北京體育大學(xué)6名優(yōu)秀網(wǎng)球運(yùn)動員正手擊球動作技術(shù)進(jìn)行表面肌電信號分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，正手擊球動作中最先發(fā)力的肌肉是斜方肌、脛骨前肌和腓腸肌，而三角肌前部、腓腸肌、脛骨前肌和斜方肌的用力時間比其他肌肉長，這說明表面肌電測試可以用于診斷網(wǎng)球擊球動作是否合理、正確。郭峰等人[8]對沈陽體育學(xué)院8名健將級女子拳擊運(yùn)動員后手直拳動作進(jìn)行表面肌電分析，結(jié)果顯示，在后手直拳擊打的過程中，上肢肌肉中三角肌前束的做功百分比最高，在后手直拳擊打的過程中主動肌的激活順序分別為三角肌前束、肱三頭肌和尺側(cè)腕屈肌。說明在后手直拳擊打動作中，上肢拮抗肌發(fā)揮著重要作用，所以建議在平時的訓(xùn)練中應(yīng)該加強(qiáng)上肢拮抗肌的訓(xùn)練。楊文明等人[9]同時對6名一級跳高運(yùn)動員背越式跳高起跳腿的緩沖、蹬伸技術(shù)環(huán)節(jié)的運(yùn)動學(xué)和肌肉表面肌電圖進(jìn)行研究，他們發(fā)現(xiàn)在整個起跳過程中比目魚肌、股外側(cè)肌貢獻(xiàn)度較大，脛骨前肌的貢獻(xiàn)度較小，但是股二頭肌的肌電活動持續(xù)在整個起跳過程，所以他們建議在今后的訓(xùn)練中，不僅要加強(qiáng)起跳腿蹬伸的主動肌的力量訓(xùn)練，也要適當(dāng)加強(qiáng)股后肌群的力量訓(xùn)練。

伴隨運(yùn)動性疲勞的發(fā)生，表面肌電信號可以在一定程度上反映出肌肉收縮功能的變化，它會受到不同因素的影響，比如：運(yùn)動方式、運(yùn)動強(qiáng)度、肌肉收縮方式、性別、年齡等。也有研究者認(rèn)為，肌肉出現(xiàn)疲勞至少存在兩類作用機(jī)制，即為外周機(jī)制和中樞機(jī)制[10]。楊春紅等人[11]運(yùn)用線性和非線性分析方法分析不同強(qiáng)度等長收縮誘發(fā)局部肌肉疲勞及疲勞恢復(fù)過程中表面肌電信號特征的變化規(guī)律，探討影響表面肌電信號變化的可能原因和機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在肱二頭肌疲勞收縮過程中，表面肌電信號的線性指標(biāo)和非線性指標(biāo)的變化具有良好的規(guī)律性，部分指標(biāo)在恢復(fù)期2s便開始出現(xiàn)顯著的恢復(fù)，且在恢復(fù)期的前10s恢復(fù)很快。他們認(rèn)為恢復(fù)初期表面肌電信號的這種快速變化的特征暗示了在此期間機(jī)體的中樞控制因素可能發(fā)揮更大的作用。

3 sEMG信號評估肌肉疲勞

3.1 靜力性運(yùn)動中肌肉疲勞評估

多年來，運(yùn)用表面肌電技術(shù)對運(yùn)動性疲勞進(jìn)行評估和監(jiān)測也越來越受到研究者們的重視。在靜力性運(yùn)動中，Loscher[12]對腓腸肌和比目魚肌以30%最大自主收縮（Maximal Voluntary Contration，MVC）做疲勞性等長收縮，發(fā)現(xiàn)均方根值（RMS）隨時間延長顯著上升，比目魚肌呈線性增加，而腓腸肌則呈非線性關(guān)系。在靜力性運(yùn)動至疲勞過程中，與sEMG信號線性分析指標(biāo)相比，運(yùn)用sEMG信號非線性分析指標(biāo)來評價肌肉疲勞具有非常好的敏感性[13]。

國內(nèi)學(xué)者王樂軍等人[14]讓受試者右臂腕部以20%MVC做疲勞性等長收縮，至不能堅(jiān)持負(fù)荷時結(jié)束實(shí)驗(yàn)，記錄右側(cè)肱橈肌和肱二頭肌sEMG信號，結(jié)果顯示肱二頭肌與肱橈肌sEMG信號的RMS在運(yùn)動中表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，而中值頻率（MF）、平均功率頻率（MPF）表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，MF、MPF與負(fù)荷運(yùn)動持續(xù)時間之間具有顯著負(fù)相關(guān)，RMS與負(fù)荷運(yùn)動持續(xù)時間之間具有顯著的正相關(guān)，研究者認(rèn)為RMS反映肱二頭肌與肱橈肌疲勞的敏感性和穩(wěn)定性要優(yōu)于其他指標(biāo)。張海紅等人[15]研究發(fā)現(xiàn)疲勞和非疲勞狀態(tài)下sEMG信號特征存在顯著差異，而在最大隨意收縮誘發(fā)肱二頭肌疲勞的過程中，sEMG信號的線性指標(biāo)MPF和非線性指標(biāo)則同樣呈單調(diào)遞減。以上為靜力性運(yùn)動至肌肉疲勞研究中sEMG信號表現(xiàn)出來的特征。

3.2 動力性運(yùn)動中肌肉疲勞評估

運(yùn)用sEMG信號對動力性運(yùn)動至疲勞進(jìn)行研究也備受關(guān)注。蔣琳[16]應(yīng)用表面肌電信號的分析處理技術(shù)，對10名優(yōu)秀男子中長跑運(yùn)動員進(jìn)行跑臺不同強(qiáng)度遞增負(fù)荷測試，研究發(fā)現(xiàn)，使用幅頻聯(lián)合分析法對肌肉的疲勞度進(jìn)行評價比肌電疲勞閾更為精細(xì)，運(yùn)動中，肌電信號的振幅通常會逐漸增大，而頻率則逐漸下降，但不同肌肉間存在一定的差異。

表面肌電信號不但能夠直觀地反映出肌肉的收縮活動狀態(tài)，而且還與肌肉組織中的代謝變化存在一定的關(guān)系[17]。劉兵[18]在功率自行車遞增負(fù)荷運(yùn)動過程中股四頭肌的表面肌電信號變化特征的研究中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動中表面肌電圖顯示振幅逐漸增高，積分肌電值和均方根值相應(yīng)增加，中值頻率（MF）值逐級減少的變化特征。同時還發(fā)現(xiàn)血乳酸濃度的變化趨勢與積分肌電值、通氣量的變化非常相似，運(yùn)動后血漿Na+、K+和Ca+的濃度較運(yùn)動前升高。近日馬文凱等人[19]做了運(yùn)動疲勞對sEMG信號影響的元分析，認(rèn)為運(yùn)動疲勞對iEMG有顯著的影響，表現(xiàn)為數(shù)值升高，但其存在高異質(zhì)性，提示iEMG雖然能有效評價運(yùn)動疲勞但并不穩(wěn)定；而運(yùn)動疲勞對MPF也有顯著影響，表現(xiàn)為數(shù)值降低，認(rèn)為MPF才是評價運(yùn)動疲勞的穩(wěn)定而且有效的指標(biāo)。

4 結(jié)語

在體育運(yùn)動領(lǐng)域，利用sEMG技術(shù)對運(yùn)動員進(jìn)行力量的訓(xùn)練、動作技術(shù)的改正、肌肉活動狀況的評定等提供有益的參考，對肌電技術(shù)進(jìn)行全方位的診斷，則可克服傳統(tǒng)消極因素，對訓(xùn)練手段進(jìn)行不斷的改進(jìn)和升級，從而推動專項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)運(yùn)動項(xiàng)目發(fā)展水平的提高。而sEMG技術(shù)在運(yùn)動員疲勞方面的深入研究，將為合理安排運(yùn)動量、檢測運(yùn)動員的機(jī)能狀態(tài)提供快捷、簡便的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]王健.sEMG信號分析及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].體育科學(xué)，2000（4）：56-60.

[2] 崔玉鵬，洪峰.表面肌電圖在人體運(yùn)動研究中的應(yīng)用[J].首都體育學(xué)院學(xué)報，2005（1）：102-104，114.

[3] Pavlat J， Housh TJ， Johnson GO， et al. Electromyographic responses at the neuromuscular fatigue threshold[J]. Journal of Sports Medicine & Physical Fitness， 1995，35（1）：31-37.

[4] 王奎，劉建紅，宋剛.sEMG技術(shù)在評價運(yùn)動性疲勞方面的方法及應(yīng)用[J].安徽體育科技，2004（3）：49-51.

[5] 秦前清，楊宗凱.實(shí)用小波分析：小波分析[M].西安電子科技大學(xué)出版社，1994.

[6] 李卓.表面肌電的信號分析及在體育科研中的應(yīng)用[J].體育科技文獻(xiàn)通報，2006（3）：31-33，30.

[7] 趙偉科，何輝.優(yōu)秀網(wǎng)球運(yùn)動員正手擊球肌肉用力表面肌電特征分析[J].北京體育大學(xué)學(xué)報，2011（7）：74-77.

[8] 郭峰，張日輝.優(yōu)秀女子拳擊運(yùn)動員后手直拳技術(shù)動作上肢肌肉表面肌電分析[J].沈陽體育學(xué)院學(xué)報，2009， 28（4）：65-68.

[9] 楊文明.背越式跳高起跳技術(shù)環(huán)節(jié)肌肉用力特點(diǎn)的研究[D].上海體育學(xué)院，2010.

[10]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（2）：5-8.

[11]楊紅春，王健，張海紅.等長收縮誘發(fā)肌肉疲勞及恢復(fù)過程中表面肌電信號特征變化規(guī)律[J].生物物理學(xué)報， 2005，21（5）：385-390.

[12]L?scher WN， Cresswell AG， Thorstensson A. Electromyographic response of the human triceps surae and force tremor during sustained submaximal isometric plantar flexion[J]. Acta Physiologica， 2010，152（1）：73-82.

[13]陳勝利，張立.表面肌電信號分析評價肌肉疲勞的有效性和敏感性[J].武漢體育學(xué)院學(xué)報，2011，45（12）：71-77.

[14]王樂軍，陸愛云，范年春，等.表面肌電信號指標(biāo)評價低負(fù)荷等長收縮誘發(fā)屈肘肌疲勞的敏感性和穩(wěn)定性分析[J].中國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志，2013，32（2）：117-123.

[15]張海紅，王健，楊鎮(zhèn).最大隨意收縮誘發(fā)肌肉疲勞的表面肌電信號變化[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2006（5）：373-376.

[16]蔣琳.優(yōu)秀中長跑運(yùn)動員專項(xiàng)運(yùn)動中肌肉疲勞度評價方法的研究[D].北京體育大學(xué)，2012.

[17]王國祥.不同負(fù)荷強(qiáng)度運(yùn)動時表面肌電圖中位頻率與血乳酸濃度變化的關(guān)系[J].體育學(xué)刊，2004（1）：45-48.

[18]劉兵.遞增負(fù)荷運(yùn)動中股四頭肌表面肌電信號變化特征及其生理學(xué)意義[D].蘇州大學(xué)，2008.

[19]馬文凱，趙國華，程超.運(yùn)動疲勞對表面肌電影響的元分析[J].浙江體育科學(xué)，2018，40（1）：91-96，104.