表面肌電的研究進展

王念 黃達武

摘? 要：本文簡介了表面肌電產(chǎn)生的客觀現(xiàn)象、作用、機理、測試采集的方法、分析手段、在采集過程中存在的一些問題、運用在體育研究中的現(xiàn)實基本情況及表面肌電的局限性。表面肌電的分析手段主要是時域分析和頻域分析，在時域分析中主要以積分肌電（iEMG）、均方根值（RMS）對運動動作評價以及在訓練過程中主要用力肌群、肌肉貢獻率、肌肉之間的協(xié)調(diào)方式進行的研究;頻域分析的指標：中位頻率（MF）、平均功率頻率（MPF）主要研究肌肉疲勞。

關(guān)鍵詞：表面肌電? 研究現(xiàn)狀? 分析手段

中圖分類號：G804? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-2813（2019）01（c）-0027-04

Abstract：This paper introduces the objective phenomena， effects， mechanisms， methods of test collection， analytical methods， some problems in the collection process， the actual situation in the sports research and the limitations of surface electromyography. The analysis methods of surface myoelectricity are mainly time domain analysis and frequency domain analysis. In time domain analysis， the integral electromyography （iEMG） and root mean square （RMS） are used to evaluate the motion and the main force during the training. Group， muscle contribution rate， and coordination between muscles were studied; and the indicators of frequency domain analysis were： median frequency （MF） and mean power frequency （MPF）， which mainly studied muscle fatigue.

Key Words： Surface myoelectricity; Research status; Analytical means

1? 表面肌電技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 生物電的客觀現(xiàn)象

肌電是指神經(jīng)、肌肉興奮發(fā)放生物電的結(jié)果，它是產(chǎn)生肌肉用力的電信號根源[1]。通過查找相關(guān)文獻，早在17世紀60年代法朗漆斯科·瑞迪就發(fā)現(xiàn)了肌肉可能會產(chǎn)生電活動。1773年，Walsh發(fā)現(xiàn)鰻魚的肌肉收縮可以產(chǎn)生電火花[2]。1791 年，Galvani在蛙類身上進行了大量實驗并得出結(jié)論：肌肉的收縮與電信號變化存在很大的相關(guān)性。1849年，Dubois Reymond第一次發(fā)現(xiàn)并描述了人類的身體活動與肌肉的電活動是有關(guān)聯(lián)的[3]。1867年，Buchenne GB為了研究完整肌肉的功能和動態(tài)主要利用的是電生理學方法。1907年，Piper利用弦線檢流計記錄了人臂肌肉的電勢差，1912年，報告了肌電信號的頻譜特征與肌肉疲勞之間的關(guān)聯(lián)[4]。隨著20世紀計算機技術(shù)的日漸成熟和科學技術(shù)的高速發(fā)展，表面肌電在體育科學和康復醫(yī)學等領(lǐng)域已展開了大量研究。

1.2 表面肌電測試采集的方法及注意的因素

肌電圖是指通過一定的方法引導記錄肌肉興奮時產(chǎn)生的生物電變化而得到的圖形，主要用于肌肉活動當中，是分析和探討肌肉活動的特定方法。通常在采集肌電信號時，測量的電極可分為針電極和表面電極[3]。針電極就是將檢測的肌肉插入針形電極，從而得到的肌電信號，并且能夠反映深層肌肉的肌電特征，由于檢測時涉及的運動單位數(shù)目較少，因而針對性更強，在臨床診斷和基礎(chǔ)研究中的應(yīng)用更廣泛[5]。針電極的缺點是測試者在重復插入肌肉組織過程中很難持續(xù)保持一致的定位性，使重測信度較表面肌電低，且針電極測試的區(qū)域小，對整塊肌肉活動的功能狀態(tài)得不到有效反饋，不適合測量肌肉在運動過程中的變化，因此在體育科學領(lǐng)域中，眾多研究學者主要通過表面肌電研究某一專項技術(shù)動作。表面肌電（sEMG）是指利用表面電極的方法在皮膚表面粘貼電極，在神經(jīng)肌肉的調(diào)控下收集一系列生物電信號，進而分析肌肉活動的興奮特征[6]。其特點是：在人體皮膚表面測量、使用便利、無創(chuàng)傷，受試者更容易采納，能夠測量更大區(qū)域的肌電信號和適合人類運動中測量的肌電特征。已有研究表明，表面肌電技術(shù)是科學研究的較好手段之一，主要分析某個技術(shù)動作中肌肉激活的先后順序和肌肉的發(fā)力順序，以及肌肉之間的協(xié)調(diào)關(guān)系等方面[7]。

表面肌電采用的電極一般是直徑1cm以內(nèi)的銀—氯化銀電極（電極的直徑越小，記錄電極之間的距離越敏感），將電極固定在被測肌肉的皮膚上，通常置于肌腹處或肌肉運動點處[3]。在粘貼電極之前，應(yīng)對受試者的體毛進行刮除，并用濃度為75%的酒精擦拭。安放電極時，盡可能讓受試者保持中立的狀態(tài)，這樣使電極片在粘貼過程中更加順利。在設(shè)定好的肌肉肌腹處用電極片順著肌纖維縱軸的位置粘貼，一般情況下，兩個電極片的距離為2cm，也有學者設(shè)置的距離為3cm，而且肌纖維運動的方向應(yīng)與電極片粘貼的位置處于平行狀態(tài)。電極片粘貼完畢后，應(yīng)選擇用醫(yī)用膠布固定好電極片，這樣使采集的數(shù)據(jù)更準確、合理[3]。測試時，由于肌電信號屬于高內(nèi)阻的弱信號源，要求設(shè)置記錄儀的電阻小于500～1000歐姆，放大器的電阻是皮膚電阻的10～100倍。在測試過程中，注意皮脂厚度和濕度，皮脂厚度越大，電阻越大;濕度越大，肌電信號的振幅降低，因此，肌電測試最好能夠在相同的環(huán)境狀態(tài)下進行，這樣可以增大數(shù)據(jù)采集時的可靠性[8]。

綜上所述，表面肌電的使用方法十分便利，無論在靜止狀態(tài)和運動狀態(tài)下都可采用表面肌電進行測試，并且在測試時，運動員從開始到結(jié)束動作所采集的肌電信號是真實而有效的。而現(xiàn)代競技體育中的運動成績是影響運動員能否取得最終勝利的關(guān)鍵性因素，因而sEMG技術(shù)作為定性分析肌肉或反映肌肉協(xié)調(diào)關(guān)系的重要方法之一，使得更多地學者從肌電信號的本質(zhì)特征出發(fā)，探究其內(nèi)在特征和機理，結(jié)合個體差異，科學、系統(tǒng)地調(diào)整訓練方法于手段，從而發(fā)揮運動員專項技術(shù)的最高水平。

1.3 表面肌電的分析方法

目前，對sEMG信號的分析大多數(shù)集中在時域和頻域分析，包括時域法、頻域法和時域-頻域法三種。

時域分析是將時間函數(shù)比作肌電信號，通過函數(shù)的數(shù)值在時間維度上的不同從而產(chǎn)生的肌電信號變化，主要以描述sEMG信號的振幅特征為主[9]。積分肌電值（iEMG）、均方根值（RMS）、平均振幅（PJ）是研究人員利用表面肌電技術(shù)進行動作分析、肌力評價等。積分肌電（iEMG）是指肌肉活動在特定的時間段產(chǎn)生的運動單位放電總量，即在時間相同的情況下積分肌電的大小能夠反映參加肌肉活動的運動單位數(shù)量的多少以及每個運動單位放電的大小，其大小取決于肌電幅值[10]。均方根值（RMS）是指積分肌電除以監(jiān)測積分肌電的時間，能夠比較在一定時間內(nèi)肌肉放電的一般水平，有相關(guān)學者提出，與運動單位募集的數(shù)量和肌纖維放電的同步化存在相關(guān)性[11]。平均振幅（PJ）是指一段時間內(nèi)肌電振幅的平均值，能夠表現(xiàn)出肌電信號的強弱程度，以此可以看出肌肉的運動強度[12]。肌肉活動貢獻率是指實現(xiàn)某一動作時一塊肌肉的積分肌電與所測參加該動作全部肌肉的積分肌電總和的百分比值，該值能夠合理得出每塊參與活動的肌肉在實現(xiàn)動作時發(fā)揮作用的大小[13]，也可看出相關(guān)肌肉中哪些肌肉力量更薄弱。

頻域分析主要是對sEMG信號進行快速傅立葉轉(zhuǎn)換，獲得sEMG信號的頻譜或功率譜，能較好地看出在頻率維度上sEMG的變化，也叫做頻譜分析，它也可以得到被分析的肌電信號中有關(guān)頻率特征的信息[14]。頻域分析經(jīng)常采用的指標有平均功率頻率（MPF）和中位頻率（MF）。平均功率頻率主要反映肌電信號有關(guān)頻率特征的生物、物理指標，能夠?qū)∪饣顒雍凸δ軤顟B(tài)得到有效闡釋。中位頻率（MF）是指肌肉活動收縮時肌纖維放電頻率的中間值[13]。中位頻率斜率能夠準確表達在進行持續(xù)等長收縮練習中肌肉的疲勞程度。時序是指肌肉的激活順序，它是指人體在參與運動的過程中，肌肉與肌肉之間先后被激活的順序[15]。

表面肌電技術(shù)在體育科學領(lǐng)域中已得到了廣泛的應(yīng)用，時域和頻域分析法是目前體育科學領(lǐng)域中頻繁采用的分析方法。積分肌電值（iEMG）能夠準確得到運動過程中肌力的大小;平均振幅（PJ）能夠得到運動中所測各塊肌肉參加活動的時間;均方根值（RMG）能夠得出在運動中所測各塊肌肉收縮時間的長短和收縮強度;平均功率頻率（MPF）、中位頻率（MF）和中位頻率斜率對肌肉的疲勞程度進行研究[15]。

1.4 表面肌電在體育中的運用

1.4.1 主要的儀器設(shè)備

鑒于表面肌電的各種優(yōu)勢及體育科學研究發(fā)展的需要，其在體育科學研究中的應(yīng)用越來越廣泛。本文通過查閱中國知網(wǎng)、維普、萬方、超星、Web of science等數(shù)據(jù)庫，對有關(guān)表面肌電在體育中的運用情況進行收集和整理。研究發(fā)現(xiàn)，芬蘭Mega和美國NORAXON表面肌電遙測系統(tǒng)是國內(nèi)運用較多的儀器設(shè)備。

芬蘭Mega表面肌電測試儀ME6000：ME6000能夠準確采集運動過程中的表面肌電信號，且可通過多種通訊方式傳送到計算機，并在功能強大的肌電分析軟件MegaWin下進行各種處理。此外，它可以使用視頻同步監(jiān)控、關(guān)節(jié)角度計、量角器和其他輔助設(shè)備，使分析更精確和系統(tǒng)。因而，ME6000對運動狀態(tài)、肌肉的疲勞、術(shù)前術(shù)后檢查與恢復等分析，其廣泛地應(yīng)用在體育運動的科學研究、醫(yī)學康復等領(lǐng)域。黃達武[16]運用ME6000肌電測試系統(tǒng)和高清攝像機Panasonic，對我國優(yōu)秀女子500m速度滑冰運動員冰上專項和陸地模仿下肢蹬冰過程的專項力量肌肉用力特征進行分析。

美國NORAXON：Noraxon公司的表面肌電測量儀器具有國際專利的信號處理技術(shù)，測試數(shù)據(jù)是非常精確、可信和重復性。MyoSystem1400型表面肌電圖機的肌電信號分為4、8、12、16通道和4個附屬通道用于聯(lián)接其他信號，可以將其他信號與內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換銜接起來。先進技術(shù)的信號連接技術(shù)既細長又輕盈，可以大大地減少對主體動作的干擾。Telemyo型記錄遙測肌電圖機系統(tǒng)。應(yīng)戴上無線發(fā)射機，將測的及處理過的表面肌電信號傳送至100米以內(nèi)的接收器，并且表面肌電信號在傳輸時是無線的，可以在實際過程中進行測量，特別是針對滑雪、游泳、騎單車和跑步等運動的研究。張秀麗[17]等人使用美國產(chǎn)Noraxon表面肌電遙測系統(tǒng)對國家隊男、女各12名射箭運動員進行測試，分析了我國射箭運動員動作技術(shù)的肌電特征。

1.4.2 主要研究目的和指標

（1）主要用力肌群。

研究專項技術(shù)動作的主要用力肌群，通常采用的指標是積分肌電（iEMG）值，能夠得到運動過程中肌力的大小，找出具體的某項運動中的主要用力肌群，突出訓練過程中的專項性。張杰[18]研究了我國一些高水平短跑運動員在跑步和過程中的肌肉活動特性，利用表面肌電技術(shù)和高速攝像機進行同步測試的方法，分析得出：折疊前擺階段，脛骨前肌為主要用力肌肉;下壓著地階段，臀大肌、股二頭肌長頭、半腱肌為主要用力肌肉，說明在同一階段的主體動作中，參加活動的肌肉（肌群）的貢獻度是有差異的。

（2）肌肉之間的激活順序、時序。

合理的肌肉激活順序?qū)ν瓿杉夹g(shù)動作的好壞起著重要的影響因素，能夠體現(xiàn)技術(shù)動作的協(xié)調(diào)性[19]。時序，肌肉的激活順序，是指在多個參與肌肉參與運動的過程中，各個肌肉被激活的先后順序[17]，可以用于比較不同水平運動員在同一技術(shù)動作中的差異性。若研究高水平運動員某一技術(shù)動作肌肉激活順序是相同的，而初級水平運動員與高水平運動員來說，肌肉激活順序是不同，由此說明初級水平運動員動作技術(shù)不準確，動作協(xié)調(diào)性差。張秀麗[20]等人發(fā)現(xiàn)在舉弓動作階段，女子運動員肌肉激活順序的一致性較男子運動員更高，所有的男子運動員都是持弓臂三角肌先被激活，而女子運動員個體差異性大，有的是拉弓臂斜方肌中部被激活，或者淺屈肌、總伸肌先激活，由此說明在訓練過程中應(yīng)重視背部肌肉協(xié)調(diào)、均衡鍛煉。

（3）激活時間。

一個動作的產(chǎn)生是由不同肌肉群共同完成，而每個肌肉群之間的肌肉激活時間是不同的。岳光華[21]運用用國內(nèi)表面肌電技術(shù)分析鏈球運動員最后用力階段主要用力肌群，對全國部分省市10人優(yōu)秀男子鏈球運動員進行測試，在發(fā)球動作過程中，右股二頭肌和左前脛骨肌最早開始放電;在最后用力單支撐過程中，肌電活動時間結(jié)束最早的是右三角肌和左肱二頭肌。

（4）肌肉激活強度。

肌肉激活強度與做功大小有關(guān)，可以反映肌肉的參與程度。在做功相同、肌肉持續(xù)時間短的情況下，能量消耗少，可以用于判斷運動員訓練程度的高低。例如，研究跳遠運動員最后的踏跳動作的技術(shù)分析，假設(shè)某一肌肉群在同等比例下，股四頭肌做功比腓腸肌大，說明在踏跳動作時股四頭肌的作用大，同時，由于腓腸肌的時程相比于股四頭肌的時程長，也說明了腓腸肌的激活強度更大。因此，肌肉激活強度可用于研究不同人之間最大隨意等長收縮時的對比分析;可以進行肌肉之間的疲勞分析（當肌肉激活強度下降或未達到一定要求時，說明運動員肌肉興奮性不夠、肌肉不夠緊張）;也可以側(cè)面說明完成某一動作的主要用力肌群。章國峰[28]研究短跑運動員途中跑與部分力量練習手段的下肢肌電特征對比分析，在挺髖練習中，臀大肌、股二頭肌、半腱半膜肌和腓腸肌放電與途中跑后蹬時相似，在仰臥挺髖練習中;后蹬較肌肉收縮的強度大。

（5）肌肉之間的疲勞狀況。

肌肉進行一段時間的持續(xù)收縮時，其生理特性得到變化，由此引起肌肉活動產(chǎn)生的最大作功能力或者最大收縮能力的暫時下降被稱為肌肉疲勞。揚丹[22]研究等長負荷誘發(fā)肱二頭肌疲勞過程中sEMG信號變化，通過對16名成年男性受試者進行運動負荷試驗，負荷固定為60%MVC，記錄持續(xù)的運動時間，并采用表面肌電技術(shù)監(jiān)測下肢肌肌肉活動。研究發(fā)現(xiàn)：在疲勞狀況下時域指標的積分肌電和均方根值是逐漸遞增的。與頻域指標有差別，MPF和MF出現(xiàn)了下降趨勢。因此，說明頻域指標對評價肌肉疲勞具有一定的可行性。王健[23]等人提到，肌肉進行最大隨意等長收縮時，無論在靜態(tài)和動態(tài)的運動負荷下，產(chǎn)生的肌肉疲勞在sEMG信號進行快速傅里葉轉(zhuǎn)換的功率譜會發(fā)生不同程度的左移，MPF和MF也會隨著時間的延長表現(xiàn)出下降趨勢[24]。

隨著科學技術(shù)的進步與發(fā)展，利用表面肌電技術(shù)在體育運動的各個領(lǐng)域中的研究已經(jīng)非常普遍，其分析方法對研究肌肉或反映肌肉之間的協(xié)調(diào)，是一種較好的技術(shù)手段。目前，研究肌肉疲勞的報道，各學者的研究結(jié)果和結(jié)論存在異同。一部分學者，支持了在大強度、大負荷的運動訓練下產(chǎn)生的肌肉肌肉疲勞，會使MPF值下降的觀點，但也有一部分人員利用表面肌電技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，積分肌電值與肌肉疲勞是有關(guān)聯(lián)的。由于肌電信號自身具有非平穩(wěn)的特點，類似于噪音產(chǎn)生的時間序列信號一樣。因此，受試者自身的年齡、性別、訓練年限以及運動水平等因素在一定程度上對研究結(jié)果和結(jié)論產(chǎn)生了影響。

1.4.3 存在的問題

當前，大多數(shù)研究人員采用的是視頻和表面肌電測試儀進行監(jiān)測，從中可能會出現(xiàn)的一些問題：同步性。在研究周期性項目中，研究人員測試的肌肉與視頻產(chǎn)生的圖像是否能夠合理對應(yīng)。由于現(xiàn)實情況，表面肌電測試采用的頻率大多數(shù)是1000Hz，正常的攝像機幀數(shù)在100左右，兩者相差10倍，也就說1幀所對應(yīng)的可能會有10個肌電，那么從數(shù)據(jù)的準確性來說也會出現(xiàn)誤差，同步性不高。這一方面的研究目前尚無報道。

因此，各種生物力學的指標：視頻、運動學、力學、肌電，在采集過程中，由于各個儀器設(shè)備采樣頻率不同，可能出現(xiàn)同步性的問題。

2? 結(jié)論

（1）表面肌電是一種客觀存在的現(xiàn)象，通過表面肌電能夠有效地反映人體機能的變化特征和功能狀態(tài)，已經(jīng)廣泛運用到體育科學研究中，在許多的運動項目中得到很好地利用。但由于肌電信號自身具有非平穩(wěn)的特點，在形態(tài)上有很大的隨機性，并且受試者自身的年齡、性別差異、個體差異、訓練年限以及運動水平等都對sEMG特征存在影響。

（2）沒有完整而有效的理論指導，就不可能有運動成績的提高。目前，表面肌電技術(shù)在體育科學領(lǐng)域中得到較好地利用，利用表面肌電研究400m的專項技術(shù)特征是值得廣大研究人員探索的。表面肌電技術(shù)的使用方法、數(shù)據(jù)采集等都是十分便利的，但目前有關(guān)表面肌電的同步性、肌電延遲、在測試時皮膚產(chǎn)生的電阻以及表面肌電的抗干擾能力等方面是今后研究人員需要加強和完善的。

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