肌電圖驅(qū)動估算方法在腰背肌力量研究中的應用進展

楊紅春楊靜 林輝杰 王健 吳劍鋒

1浙江工業(yè)大學工業(yè)設計研究院（浙江杭州 310023）

2臺州學院體育學院（浙江臨海 317000）

3浙江大學教育學院（浙江杭州 310058）

腰痛是康復醫(yī)學、臨床醫(yī)學和運動醫(yī)學等領域的常見疾病，已經(jīng)成為致殘誤工、增加社會經(jīng)濟負擔、影響生存質(zhì)量的一個重要社會問題[1，2]。有效診斷與預防腰痛需要全面、深入地認識腰痛機理[3]。掌握各腰背肌活動及相互協(xié)作對腰痛產(chǎn)生的影響，特別是理解“神經(jīng)-肌肉”控制策略的作用[4]，是深入把握腰痛機理的重要方向。

準確獲取腰背肌力至關重要。由于腰背部肌群結構的復雜性，直接在體測量各腰背肌用力不易實現(xiàn)，常通過建立生物力學模型予以估算。腰背肌力EMG驅(qū)動估算方法最為常用[5]。該方法基于腰背肌解剖學參數(shù)，借助所測得的肌電信號來反映各腰背肌瞬間用力信息，結合所測得的力學參數(shù)進行最優(yōu)化處理，從而獲得較為可靠的腰背肌力，進而可計算出腰椎所受到載荷及其所具備的穩(wěn)定性，而這兩者異常是導致腰痛的直接誘因[6]。此方法較為復雜，并處于不斷改進中，在腰痛機理研究中應用也在拓展，基于該方法所構建的腰椎載荷以及腰椎穩(wěn)定性量化定義在體育科學領域中將有應用前景。因此，本文綜述了腰背肌力EMG驅(qū)動估算方法應用的要點、難點、疑點以及方向，藉此深入認識該方法原理，把握其應用方向，旨在為該方法的科學應用及合理改進提供參考。

1 腰背肌群結構模型

由于腰背肌群所涵蓋的肌肉數(shù)量較多，多數(shù)肌肉具有寬大附著點，因此精確構建其解剖結構模型并非易事。磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、計算機斷層掃描成像（（Computed Tomography，CT）以及計算機模擬技術被應用到在體腰背肌群解剖結構的準確測繪中[8]，所取得的數(shù)據(jù)，為腰背肌拉力線合理簡化提供了科學依據(jù)。

圖1 腰背肌群解剖結構模型示意圖[7]

目前模型中，涉及6個腰椎關節(jié)及其18個轉(zhuǎn)動自由度[9]，幾乎將各塊腰背肌均納入其中[6-8]，此外還包括上軀干、頭、手臂、外部負荷等簡化元素。該模型中各腰背肌由拉力線來模擬，由于多數(shù)肌肉具有寬大附著點，一塊肌肉可擁有多條拉力線，這致使其數(shù)量多、分布雜（如圖1所示）。每塊肌肉中拉力線數(shù)量、走向、起止點位置、橫截面積等參數(shù)的合理假定與準確測量，成為建立該模型的重點難點。各種模型在這些方面略有差異[10]，例如分別橫跨L1/L2和L4/L5關節(jié)的拉力線在Cholewicki和McGill的模型中為25和30條，而在Stokes和Gardner-Morse的模型中為52和67條。

Cholewicki和McGill[11]所公布的腰背肌解剖結構模型較具代表性，應用廣泛。該模型中全部腰背肌共有90條拉力線，橫截面積在0.6～16.8 cm2，原始長度在5.2～30.0 cm，肌腱長度在1.0～15.4 cm，在人體直立時這些拉力線起止點坐標參數(shù)詳見其研究。Marras和Granata研究[12]中公布了個體化的腰背肌橫截面積推算公式，應用該公式可以從胸厚度、寬度兩種易測參數(shù)中推算出對應的腰背肌橫截面積。需要注意的是，在脊柱運動過程中，各腰背肌拉力線起止點坐標是動態(tài)變化的，其力臂也一樣，因此需要測量軀干角度的變化，據(jù)此修正各腰背肌拉力線起止點坐標來獲得準確的力臂值[13]。

2 腰背肌力基本算法

腰背肌力EMG驅(qū)動估算方法的核心思想是，用最大肌肉應力（maximum muscle stress value）和肌肉激活程度來計算單塊肌肉用力[13]，前者表示肌肉最大程度活動時單位橫截面積中能產(chǎn)生的作用力，后者以瞬時激發(fā)EMG比重來表示，兩者乘積再乘以肌肉橫截面積即為瞬時肌力。該方法還需考量其它因素，例如需依據(jù)肌肉長度、收縮速度各自與肌力間的關系來修正[4]，這些關系又受到肌肉工作方式[12]以及疲勞狀態(tài)[14，15]的影響。

一般情況下基于EMG驅(qū)動的腰背肌肌力計算方法如公式1、2、3所示，其中F為肌肉收縮力，EMGn為占最大隨意收縮力（maximal voluntary contraction，MVC）時EMG的比例（或者比率），σmax為最大肌肉應力，S為橫截面積，φ為肌肉長度修正系數(shù)，φ為肌肉收縮速度修正系數(shù)，l為肌肉長度，ν為肌肉收縮速度，j為各腰背肌序列，G為誤差系數(shù)。其中，最大肌肉應力（σmax）獲取方法有：1.參照已有的肌肉解剖學實驗數(shù)據(jù)，一般設定為35 N/cm2[16]，其為通用值，各受試者間均一樣，在受試者個體差異不明顯的情況下可用。2.用逆向動力學求得腰椎關節(jié)力矩，再與腰背肌力間建立力學方程[17]，進而求得最大肌肉應力（在多次測試間、各時刻點間取均值），該值具有個體化屬性，在較為簡易的模型下可用。3.采用有約束的最優(yōu)化計算方法[4，9]，以內(nèi)、外腰椎力矩差異最小為優(yōu)化目標，求得最大肌肉應力，其同樣是個體化數(shù)值，而且，相對準確，適合在復雜模型下采用。

EMG值測量是EMGn參數(shù)獲取的核心環(huán)節(jié)[9，14]。目前研究[6-8]中，采用表面肌電圖測量儀來獲取腰背肌EMG值，多數(shù)情況下電極放置于L1橫移3 cm處、L3橫移6 cm處、L5橫移2 cm處、肚臍橫移3 cm處、肚臍上方橫移10 cm處、髂前上棘前移7 cm與下移2 cm處。需進行兩次測量[18]，第一次測量100%MVC時腰背肌EMG值，第二次測量執(zhí)行運動任務時各瞬間EMG值，結合第一次測量結果，將其標準化處理后即為EMGn值。由于表面肌電圖測量儀無法獲取深層腰背肌EMG值，以及同時測量肌肉數(shù)量有限，故該方法中存在合理假設，即解剖位置或功能屬性相近的肌肉被認為激活水平相似[11]。據(jù)此，相同肌肉內(nèi)拉力線上作用力計算時用相同EMGn值，深層腰背肌力計算時采用與其功能一致的表層肌肉EMGn值（腹內(nèi)斜肌與腰大肌相似、腰豎直肌與腰方肌相似）。原始肌電圖處理方法也較為重要，Staudenmann等專門探討了EMG數(shù)據(jù)處理方法對腰背肌力估算效果的影響[8]，結果顯示，采用250 Hz以上高通濾波對EMG數(shù)據(jù)處理時，能明顯提高腰椎力矩及穩(wěn)定性計算準確性，對其白化處理（whitening）后也有同樣效果。

100%MVC中EMG值測量在腰痛患者、老年人群等特殊對象中難以實施，對此，Marras等[19，20]探討了以次最大強度時EMG值來估算最大強度時EMG值的可行性，結果顯示，腰背肌收縮強度與其EMG值間高度關聯(lián)，采用以它們間線性回歸方程估算的最大強度EMG值與實測值來計算腰椎剪切力和壓縮力，結果非常接近（r2＞0.9，誤差小于6%）。另一種做法，鑒于準確的100%MVC肌電值受到主觀努力、疲勞狀態(tài)、訓練經(jīng)歷、動作姿態(tài)、運動類型以及傷痛狀態(tài)等眾多因素影響難以獲得，Dufour等[21]提出無須測量該值的EMG驅(qū)動腰背肌力算法。該算法將最大肌肉應力與100%MVC肌電值整合在一起，將它們比值視為一個個性化的肌肉屬性，稱之為增益率（gain ratio units），再以內(nèi)在、外加腰椎力矩間誤差最小作為優(yōu)化目標，通過有約束非線性多變量最優(yōu)化算法計算獲得。結果顯示所計算的增益率在合理范圍內(nèi)，基于兩種方法而得的腰椎穩(wěn)定性及載荷非常接近，可見無須100%MVC測量的腰背肌力EMG驅(qū)動算法有效，具備參考價值。

3 腰背肌力優(yōu)化修正

針對腰背肌力計算中的不確定性問題，統(tǒng)籌學中最優(yōu)化理念與算法是一種有力工具。Gagnon等[4]采用雙重線性最優(yōu)化法來估算腰背肌力，在第一次最優(yōu)化時以最大肌肉應力誤差系數(shù)（G）最小為最優(yōu)化目標，算得最大肌肉應力修正值，第二次以腰椎壓縮力最小為最優(yōu)化目標求得各腰背肌肌力。用該方法所估算的腰背肌力往往受腰背肌力臂影響較大，并且難以發(fā)現(xiàn)各腰背肌間協(xié)同活動現(xiàn)象[22]。據(jù)此Cholewicki和McGill[23]將最優(yōu)化算法整合至腰背肌力EMG驅(qū)動估算中（見公式4），采用腰背肌力EMG驅(qū)動估算方法求得內(nèi)在腰椎關節(jié)力矩，同時用逆向動力學方法求得外在腰椎關節(jié)力矩，然后以這兩個值最接近為最優(yōu)化目標，從而求得各腰背肌力修正值，這樣能夠彌補雙重線性最優(yōu)化方法的缺陷。

約束條件：

注：MEMG為預先估計的腰椎力矩，M為逆向動力學方法所獲得的腰椎力矩，g為修正系數(shù)，L，S，T代表三個平面，J為各腰背肌序列，m為腰背肌總數(shù)。

以往這種最優(yōu)化輔助的EMG驅(qū)動腰背肌力估算方法中，只以一個腰椎關節(jié)內(nèi)外力矩平衡為最優(yōu)化目標，特別是針對L4/L5關節(jié)，此做法被認為是對腰椎“肌肉-骨骼”生物力學模型不恰當?shù)暮喕痆9]，不符合神經(jīng)控制策略，即中樞神經(jīng)系統(tǒng)不太可能針對單個腰椎關節(jié)活動需求來分配腰背肌力，而是從整體上予以規(guī)劃。Gagnon等[17]運用了針對全部腰椎關節(jié)的最優(yōu)化輔助EMG驅(qū)動腰背肌力估算方法，其具體方法與針對單關節(jié)的相似，只是約束條件增加至18個方程，這兩種方法的估算結果有明顯差異，特別是在軀干大幅度屈曲以及不對稱搬舉動作中。Gagnon等[24]采用該方法時，將腰背肌力矩分為韌帶等被動力矩、原動肌主動力矩、原動肌被動力矩、拮抗肌被動力矩，在一次搬運任務中所占比重分別為13%、58%、26%、2%，還有1%的估計誤差，在最優(yōu)化計算中修正系數(shù)g約束條件視不同類型力矩而異。

4 腰背肌力估算效度

Cholewicki和McGill[11]從要素效度、內(nèi)在效度、靈敏度以及參照評估等方面系統(tǒng)闡述了腰背肌力EMG驅(qū)動估算方法的有效性，認為該方法有效的依據(jù)有：1.所推算的最大肌肉應力在生理變化范圍之內(nèi)（30～100 N/cm2[21]）；2.以力學原理為依據(jù)，推算的腰椎力矩與通過逆向動力學求得值較為一致；3.對腰椎穩(wěn)定度推算靈敏度較好；4.從文獻資料對比中可見，推算的腰椎壓縮力較為合理。此外，李雅普諾夫指數(shù)分析（Lyapunov analyses）是一種腰椎動態(tài)穩(wěn)定性常用的量化方法。Graham和Brown[16]對腰背肌力EMG驅(qū)動估算方法推算的腰錐穩(wěn)定性參數(shù)與最大李雅普諾夫指數(shù)進行了相關分析，結果顯示兩者高度關聯(lián)，認為這兩種方法均能有效反映腰錐穩(wěn)定性。

Gagnon等[4]在動態(tài)性動作中比較了腰背肌力最優(yōu)化算法、EMG驅(qū)動算法以及最優(yōu)化輔助的EMG驅(qū)動算法（EMG auxiliary optimization，EMGAO）的有效性，綜合考慮認為EMGAO效度較好。隨后Gagnon等[17]研究認為，EMGAO針對多腰椎關節(jié)的估算結果比針對單腰椎關節(jié)的要高些。但Mohammadi等研究認為，不同最優(yōu)化輔助EMG驅(qū)動算法所估算的結果欠穩(wěn)定，差異源于肌力修正系數(shù)（gain values）波動范圍大[9]。此外Dreischarf等[22]認為，還可以從所估算的肌力與所測得的相應肌電比較中，以及從所估算的與在體測得的腰椎載荷相比較中進行有效性檢驗。

5 腰背肌力EMG驅(qū)動估算方法的應用方向

5.1 腰椎穩(wěn)定性研究

腰椎穩(wěn)定性是指維持腰椎椎體間正常位置關系的一種功能狀態(tài)[25]，腰椎失穩(wěn)則是引起腰痛的一個重要因素[26]。受外力沖擊時，脊柱穩(wěn)定性低會使脊柱位移過度（超出中性帶范圍），從而導致脊髓、神經(jīng)根、椎體以及軟組織等被破壞，引發(fā)腰痛。腰椎穩(wěn)定性則通過由椎體、椎間關節(jié)等形成的被動保護機制與由脊柱穩(wěn)定肌和中樞運動控制系統(tǒng)形成的主動保護機制共同作用予以維持[27]，后者作用至關重要，在去除主動保護機制作用后，即便是很小負荷也會使腰椎極度不穩(wěn)。

腰背肌EMG驅(qū)動估算方法建立了腰背肌力與腰椎穩(wěn)定性間的直接關系，這有助于更深入、全面地探索腰背肌活動及控制對腰椎穩(wěn)定性的作用及其在不同條件下的變化。該關系如公式5所示[28]，其中S代表腰椎穩(wěn)定性（又被稱為腰椎剛度），F(xiàn)為腰背肌力，A為腰背肌起點坐標，B為腰背肌止點坐標，X、Y、Z代表三個坐標軸方向，r為各腰背肌力臂，q為權重數(shù)，P為上體重量，h為上體重心到L4/L5腰椎關節(jié)的距離，L為肌肉原始長度，j為各腰背肌序列，m為腰背肌總數(shù)，這些參數(shù)中q和r這兩個參數(shù)對計算腰椎穩(wěn)定性有決定作用[29]。在有些研究中，將q設定為一個經(jīng)驗值10，Brown和Mcgill[29]則采用快速釋放測試方法，以運動學參數(shù)驅(qū)動腰背肌力算法為輔，探討了腰背肌活動程度與q參數(shù)的關系，結果顯示，隨著腰背肌活動程度提高，q值不斷降低（見圖2A），這顯示出在高強度腰背肌肉活動時腰椎穩(wěn)定性會降低，存在腰痛產(chǎn)生風險；兩者能擬合成指數(shù)函數(shù)關系（見圖2B），這能為往后研究提供更為合理的q值參數(shù)。

圖2 腰椎剛度誤差系數(shù)（q）與肌肉活動程度間關系圖[29]

基于該腰椎穩(wěn)定性量化方法，Brown和Potvin[30]探討了軀干豎直姿態(tài)時腰椎穩(wěn)定性以及各腰背肌肉的貢獻特征，結果顯示軀干側屈時腰椎穩(wěn)定性最高，軀干屈伸時腰椎穩(wěn)定性次之，軀干旋轉(zhuǎn)時腰椎穩(wěn)定性最低；腹內(nèi)斜肌、腹外斜肌、腰豎直肌以及胸豎直肌對腰椎穩(wěn)定性影響較大，這與這些肌肉的解剖位置有關，其均具有較長力臂。Cort等[31]探討了突然加載負荷時腰椎穩(wěn)定性的適應性變化以及各腰背肌的作用，結果顯示，預知加載時間組在加載負荷前，腰椎穩(wěn)定性顯著提高；而未知加載時間組則依靠非自主性肌肉力量（pre-voluntary muscle forces），在加載非自主反應期中提高腰椎穩(wěn)定性，這體現(xiàn)了非自主性“神經(jīng)-肌肉”活動對避免腰背損傷的重要作用；此外，對側腰背肌力提高的同時，同側腰背肌力下降，是加載負荷后腰椎穩(wěn)定性迅速提升的一種有效策略。Beaudette等[5]比較了穩(wěn)定/不穩(wěn)定支撐面、穩(wěn)定/不穩(wěn)定負荷搬舉動作間腰椎穩(wěn)定性的差異，結果顯示，在外部不穩(wěn)定環(huán)境中腰椎穩(wěn)定性有明顯提高，體現(xiàn)出腰背肌在維護腰椎穩(wěn)定性及避免腰背損傷中的重要作用。Shamsia等[32]比較了運動控制與一般鍛煉干預間慢性腰痛患者腰椎穩(wěn)定性的變化，結果顯示，運動控制干預組、一般鍛煉干預組分別在右側拉和向前拉時腰椎穩(wěn)定性有顯著提升，這分別得益于腹肌與背肌活動增強。

綜上所述，基于腰背肌EMG驅(qū)動估算方法對腰背肌活動與腰椎穩(wěn)定性關系的研究有明顯進展，今后其應用方向有：1.腰背肌活動“神經(jīng)-肌肉”控制策略有待深入探索?；谘臣×浪?，可以探討維持腰椎穩(wěn)定性過程中的運動協(xié)調(diào)機理。Eskandari等[33]通過非負矩陣分解方法提煉出了腰背肌活動協(xié)調(diào)元（muscle synergies），今后這些肌肉活動協(xié)調(diào)元的特性、影響因素、干預手段等有待研究。此外，腰背肌活動與腰椎穩(wěn)定的量化關系為無控制歧管（uncontrolled manifold，UCM）運動協(xié)調(diào)理論與方法應用奠定了基礎，今后也可展開這方面腰背肌運動協(xié)調(diào)機制探討。2.核心穩(wěn)定性訓練是當前較為流行的一種體能訓練方式，但缺乏對其內(nèi)在機理的深入研究，可借鑒此上述量化關系，探討各種核心穩(wěn)定性鍛煉方法對腰背肌力、“肌肉-神經(jīng)”控制、腰椎穩(wěn)定性等的作用機制。

5.2 腰椎載荷研究

腰椎載荷包括腰椎所受到的壓縮力和剪切力，這兩種作用力主要源自上體重量、外部負荷和腰背肌力[7]。腰椎所受作用力大，應變多，從而使腰椎椎體及其內(nèi)部神經(jīng)組織等受擠壓后受損，致使腰痛產(chǎn)生，這是腰痛的一種主要成因[34]。腰背肌力EMG驅(qū)動估算方法常運用到各種動作中的腰椎載荷評估，在腰痛機理探索中作用顯著。

搬舉重物動作在日常生活以及體力勞作中極為常見，被認為存在誘發(fā)腰痛的風險[35]，因為該類動作中經(jīng)常伴隨著較高的腰椎載荷，例如，在跪姿搬舉重27.2 kgf的物體時腰椎壓縮力高達3800 N[36]。已有研究基于腰背肌力EMG驅(qū)動估算方法，探討該類動作搬舉重量和高度、技術（或姿態(tài)）、輔助手段、感知、經(jīng)驗等對腰椎載荷的影響。Splittstoesser等[34]研究顯示，在跪姿搬舉動作中腰椎壓縮力、剪切力（前后以及左右）隨著搬舉物體重量以及高度增加而提高，前者由物體重量增加使腰背肌力提高所致，后者由物體搬舉加速度遞增使腰背肌力提高所致。針對搬舉技術（姿態(tài)）的研究[34-38]顯示，腰背載荷在雙腳站于重物兩側搬舉時比站于其后搬舉時低，在俯身搬舉時比半蹲搬舉時低，在跪姿與直立搬舉時比俯身搬舉時低，在一手輔助一手搬舉時比雙手搬舉時低，這與外部負荷和腰背肌力臂、腰背肌群激活數(shù)量有關。Farrag等研究[39]認為，搬運低重量物體時無預知搬運重量，會使腰椎載荷升高。Gagnon等[24]認為，與搬運新手相比，搬運老手肌肉主動力矩大，肌肉被動力矩小，肌肉力矩調(diào)節(jié)能力強，因而腰痛發(fā)生率低。

此外，已有研究基于該方法探討了突然加載負荷時雙腳不同站位、不同坐姿以及高爾夫揮桿動作中所產(chǎn)生的腰椎載荷。Zhou等[40]從2個加載位置對4種不同雙腳站位姿勢加載負荷，比較L5/S1腰椎關節(jié)載荷的差異。研究結果顯示，在經(jīng)受位于人體對稱位與非對稱位由6.8 kg重物突然釋放而產(chǎn)生的沖擊時，腰椎載荷在前后站位（右腳在前）姿勢中最低，左右寬距站位姿勢中最高，兩者相差32 N；而人體對稱軸位受沖擊時的腰椎載荷比非對稱軸位低。Castanharo等[41]比較了自然坐姿、腰椎骨盆主導坐姿以及胸部主導坐姿中腰椎載荷的差異，藉此探尋最佳坐姿，發(fā)現(xiàn)腰椎骨盆主導坐姿中腰椎關節(jié)力矩明顯低于其余兩種坐姿，自然坐姿中腰椎載荷明顯低于其余兩種坐姿，由此認為腰椎骨盆主導坐姿能夠最大限度地降低腰背部被動組織受力，適宜于不易久坐人群采用。Lim等[42]研究了高爾夫球揮桿動作中L4/L5腰椎關節(jié)所受載荷，結果顯示（見圖3），腰椎壓縮力在引桿終點開始穩(wěn)步提升，至擊球點附近達到最高值（4400 N，6.1倍體重），向前腰椎剪切力在隨揮中點前達到最高值（1203 N，1.6倍體重），可見該動作中腰椎載荷較高，這由腰椎承重及椎旁肌肉高強度共收縮所致。

圖3 高爾夫揮桿動作中腰椎壓縮力（compression）、前后剪切力（anterior-posteriorshear）、左右剪切力（medial-lateralshear）變化圖[42]

腰背肌力EMG驅(qū)動估算方法今后的應用方向：1.系統(tǒng)探索腰背肌群活動及控制對腰椎載荷的影響。例如，探討搬運動作中或受到?jīng)_擊時等情景下各腰背肌活動對腰椎載荷的影響度；探討腰背肌活動間協(xié)調(diào)配合對腰椎載荷下調(diào)的作用；探討針對腰椎載荷下調(diào)，腰背肌活動對腰椎、韌帶等組織被動受力的控制機制；探討腰背肌活動對腰椎載荷分布的調(diào)節(jié)作用等。2.鑒于腰痛是運動訓練與體育鍛煉中的常見病，該方法今后可在體育科學領域中進一步應用，探討專項技術動作或訓練動作中腰椎載荷特征及腰背肌活動。例如，分析舉重技術、劃槳技術、短道速滑蹬冰技術、站立式射擊技術中腰椎載荷狀況；分析仰臥起坐、上支撐舉腿等體育鍛煉動作中腰椎載荷特征；評估腰背肌力干預措施、腰背防護用具、技術動作調(diào)整等對預防腰疼的作用等。

6 總結

腰背肌力EMG驅(qū)動估算方法是一個較為復雜的體系，從腰背肌群解剖模型的建立，運動學、動力學、生物學數(shù)據(jù)測量，到腰背肌力計算，再至腰部肌力最優(yōu)化修正，最后效果檢驗，需精準把握其各個細節(jié)，以獲得盡可能準確的估算值。在腰背肌群解剖學模型構建中，需著重關注各腰背肌力拉力線合理假定及其解剖學參數(shù)的準確獲取。EMG測量與處理、最大肌肉應力獲取是腰背肌力計算的重要環(huán)節(jié)。此外在腰背肌力最優(yōu)化修正時需重點注意各腰背肌力臂的計算，以及用逆向動力學方法計算外在腰椎力矩。該方法主要應用于腰椎穩(wěn)定性與腰椎載荷相關研究中，今后可探索針對這兩者的腰背肌協(xié)調(diào)活動控制機理，可更廣泛的應用于體育科學領域。