ｓＥＭＧ技术在颈部肌肉活动评价中的应用

陈　谦

摘要：表面肌电图技术被用来研究颈部肌肉的功能状态已有30多年的历史，颈部肌肉活动的相关分析、结构与稳定性及颈部疼痛的关系等领域受到了较为深入的研究。但由于颈部解剖结构的复杂性、测试条件的不可控性，研究进展较为缓慢。通过对表面肌电图技术在颈部肌肉活动评价中的应用研究进行归纳，认为颈部肌肉活动的sEMG信号特征以及颈部肌肉疲劳和颈部疼痛之间的关系是未来该研究领域的主要发展趋势。

关键词：表面肌电sEMG；颈部肌肉活动；颈部稳定性；颈部疼痛

中图分类号：G804.21文献标识码：B文章编号：1007-3612(2008)02-0226-03

头颈部是全身关节活动最为灵活同时也是最不稳定的部位之一［1］。颈部肌肉是一个复杂、多层次的结构体系［2］。它可以使头部进行屈、伸、侧屈、旋转、绕环等多种运动［3, 4］。颈肩疼痛目前已成为一个大众的健康问题，颈部损伤和疼痛的人数越来越多。Carolyn M.等人［5］通过文献调查发现很多研究认为，从身体需求到基本静止的作业、视频显示终端工作、缝纫机操作等，静态作业通常更多地与颈部紧张症或肌痛有关，颈部骨骼肌不适与各种职业和工种相关。Peter W. Buckle等人［6］通过流行病学调查证明，从事与颈部和上肢骨骼肌相关的职业与其颈部功能紊乱存在着显著的相关性。

表面肌电（Surface electromyography, sEMG）信号分析技术因其特点和优点常被用于测量运动中的肌肉活动、康复医学和人体工程学的评估和测量［7］。意识到利用sEMG技术对颈部肌肉进行研究的必要性是在1998年的Marconi Research Conference（马可尼研讨会）［5］，大会认为使用表面肌电技术对上肢和颈部区域的肌肉活动的研究取得了一定的成果。本文就sEMG在颈部肌肉功能评价中的应用及进展进行概括。

1基于sEMG技术对颈部肌肉活动开展的相关研究

1.1颈部活动的相关肌肉分类和工作分析

1.1.1颈部肌肉解剖的物理模型根据颈部肌肉解剖结构，《系统解剖学》［3］中按照其所在位置，分为颈浅肌群、舌骨上下肌群和颈深肌群。颈浅肌群包括颈阔肌、胸锁乳突肌；舌骨上下肌群包括二腹肌、下颌舌骨肌、茎突舌骨肌、颏舌骨肌、胸骨舌骨肌、肩胛舌骨肌、甲状舌骨肌；颈深肌群包括外侧有前斜角肌、中斜角肌、后斜角肌，内侧有头长肌、颈长肌。其他涉及到有关颈部活动的背部肌肉有斜方肌、肩胛提肌、竖脊肌。

采用肌电技术对颈部肌肉活动进行研究，国外的学者已有一定的尝试。Kamibayashi等人［8］的研究定义了超过20对以上的维持颈部稳定和运动的肌肉，但能够使用表面肌电技术采集到较为敏感的肌肉却很少。根据人体解剖结构，背部使得头颈部后伸的肌肉至少有四层［5］，头半棘肌是最主要的颈伸肌，但被头夹肌覆盖，而头夹肌却又部分的被斜方肌覆盖［3］。Bernhard等人［9］与Nolan等人［10］在所研究的10块肌肉中认为有4块可用sEMG检测的，分别为半棘肌(semispinalis capitis)、夹肌(splenius capitis)、胸锁乳突肌(sternocleidomastoid)和斜方肌（m. trapezius）。然而在Queisser等人［11］的研究中所述，检测半棘肌是相当受限制的。

1.1.2颈部肌肉解剖的生物力学模型除物理模型之外，已有不少学者采用更一步的数学模型对脊柱颈段和肌肉组织的功能进行研究［5］。Moroney等人［12］建立颈部14对肌肉的生物力学模型，包括颈阔肌、舌骨下肌、胸锁乳突肌、（颈或脊柱）长肌、前斜角肌、中斜角肌、颈最长肌、肩胛提肌、多裂肌、颈或头半棘肌、颈或头夹肌及斜方肌。另外在该模型中的第四颈椎水平位置上，sEMG可接触到的肌肉包括胸锁乳突肌、斜方肌、肩胛提肌、头夹肌、颈阔肌和舌骨下肌肉。然而，后两块肌肉通常被认为不是稳定或活动头或颈部，而分别被视作面部表情与口和舌的活动肌肉。

部分基于Kamibayashi［8］工作分析，Vasavada等人［13］设立了颈部19对肌肉的生物力学模型，其研究的各种姿势中，他们认为半棘肌具有最大伸展力矩的能力，紧跟着是夹肌。胸锁乳突肌在屈和侧屈中具有最大力矩，斜方肌在左右自转中具有最大力矩，其事实上超出了它的侧屈能力。而某种程度上这些肌肉每一块都可与表面电极相接触。

1.1.3颈部肌肉活动的功能性评估采用EMG技术对肌肉功能的评估，学者们开展了一些研究。Takebe等人［14］采用双极细金属丝的针式电极，在头部各个方向的运动中，对头夹肌和头半棘肌的活动开展研究，发现这两块肌肉在头伸展和旋转运动中激活程度较高。在许多实验对象中，半棘肌最大的激活状态发生在自然坐姿中抵抗阻力时的伸展运动。头夹肌最大的激活状态也发生在抵抗阻力的坐姿或旋转中。另外在安静直立的坐姿中肌肉都是出于放松状态的，只有半棘肌在卧姿中保持头部有轻微活动。

另外，Keshner等人［1］的整个实验过程中头部一直处于自然姿势、颈部肌肉组织垂直的情况下的活动模式。他们在23块颈部肌肉中设法鉴别出胸锁乳突肌、斜方肌、头夹肌和头半棘肌活动的优势方向。这项研究的结果认为头夹肌主要不仅仅是伸展，还对应于侧弯；头半棘肌在伸展和后侧弯曲中一直活动；斜方肌对头部稳定性无作用。就头夹肌活动而言，半数受检者的夹肌在侧面和前外侧的稳定性中的主要活动，剩余受检者侧面的和后侧的稳定性中的主要活动。这项有关夹肌的发现于Takebe等人［14］发现的在侧弯抗阻时该肌肉几乎没有或没有活动有所不同。

在关于头夹肌功能和利用EMG研究肌肉方面，Keshner［15］等人的一些说明和结论受到了一些学者的质疑。Mayoux Benhamou等［16］使用表面电极和针式电极来研究夹肌活动，并寻找两种信号之间的对应关系。此两种电极上信号显示侧弯运动中的活动，与Keshner等人的研究结果类似。然而在其它伸展运动中发现了差异——表面夹肌电极发现头夹肌的活动信号而针式电极却没有发现信号。作者认为其原因是相邻肌肉主要是胸锁乳突肌会产生的色度量度干扰。通过核磁共振成像，头夹肌在伸展和同侧旋转中显示出活动，但在弯曲和对侧旋转中无活动。因此Mayoux Benhamou等人建议表面电极仅用于大的颈部肌肉应该是充足的，如胸锁乳突肌，或者背侧肌肉组活动时。

上述的这些基础研究指出颈部一些对于颈部运动和稳定性有重要作用的肌肉是可用表面电极接触的。所选择肌肉符合方便的附加实验负荷，肌肉分布在表浅、干扰信号少、较为敏感的特征。这些肌肉包括头半棘肌（头伸）、头夹肌（伸、侧屈、旋转）、肩胛提肌（侧屈、旋转）、胸锁乳突肌（屈、旋转、侧屈）和斜方肌（伸、侧屈）等。

1.2颈椎形态、颈部肌肉与颈椎稳定性和颈部疼痛的关系脊柱颈段是一种动态结构，用于头部的支撑和定向，同时将从躯体影响头位置的力上传［17］。颈部肌肉不仅维持颈椎稳定，同时进行头部的三维运动［15］。

构成颈部骨骼结构主要有人体脊柱上部的七块颈椎。椎体之间借椎间盘、前纵韧带和后纵韧带相连接，两椎骨间可作轻微运动。颈椎关节面为倾斜的平面，椎间盘较厚，故可作屈、伸、侧屈、旋转和环转运动。它通过寰枕关节（第一颈椎称为寰椎）与头部连接，可使头部作屈、伸和侧屈运动，通过寰枢关节使第一（寰椎）与第二颈椎（枢椎）相连，向下由六块椎骨相互连接的结构［3］，因此颈部产生的运动是通过寰枕关节及7块椎骨之间的关节连接形成各方向上的运动。颈部解剖结构复杂，涉及到的肌肉数目较多，《运动解剖学》［4］中按照机能分类分为颈屈肌群、颈伸肌群、颈侧屈肌群。

颈部许多组织都会产生疼痛，包括颈部肌肉、椎间盘、后部纵向韧带以及关节面等等，它们都是维持颈椎稳定性的结构［18］。但在Heleen H.等人［19］的关于“体质与腰骶部或颈肩痛之间的关系”（该体质包括肌力、肌肉耐力或关节灵活性等方面）进行系统综述发现，几乎没有研究论述上述内容和颈肩痛之间的关系。他们指出仅有数量如此有限的研究论述颈肩肌肉的肌力或耐力和颈肩痛之间的关系，只能说明在两者之间存在不确定的证据。而且在仅有的几个研究中产生了不一致的结论，因此在颈部疼痛与脊柱颈段机能灵活性之间的关系也具备不确定的证据。

近年Falla D等人的研究［20］较为活跃，他们认为慢性颈痛病人的胸锁乳突肌和斜角肌的疲劳和其长期的疼痛状况之间并没有相互关系。而这与人们认为长期的颈肌疲劳会引起疼痛的观念不相符。因此对颈痛产生机制的研究十分必要。

1.3颈痛患者的颈肌sEMG特征表面肌电信号能清楚地记录和反映肌肉持续自主收缩时的电信号变化。反映疲劳的肌电信号常被作为肌肉发生生理改变的重要信息［20, 21］。因此，有很多学者采用sEMG技术对颈部肌肉疼痛开展相应的研究。

Falla D等人［20］对10名慢性颈痛病人和10名健康者进行比较，选用颈部的两块肌肉胸锁乳突肌（SCM）、斜角肌（AS），采用平均频率（MF）、平均校正值（ARV）、传导速率（CV）等指标评定局部肌肉运动单位募集、局部肌肉疲劳情况，结果发现，在慢性颈部疼痛病人的MF最初值大于正常人，且在25%MVC、50%MVC的疲劳实验中也表现出同样的显著性。Gogia［22］认为颈椎骨关节病人中SCM的MF变化率越大，在50%和80%的MVC中越容易疲劳。另外还有一些研究结果［23, 24］显示，在临床测试中，颈部肌肉痛病人前屈时肌肉耐力下降。Uhlig等人［25］指出多数活体研究中发现，颈痛病人的II型肌纤维占主导地位，肌肉耐力下降且易疲劳；颈痛病人的肌纤维由I型向IIb型转变。但在Stapley PJ等人［26］对13名颈部肌肉急性损伤病人的研究中指出，其表现出与疲劳相类似的肌电信号，sEMG振幅增加，MF减小。

2国内对颈部肌肉活动的相关研究现状

虽然表面肌电技术对颈部肌肉开展研究已有30多年的历史，但由于颈部解剖结构的特殊性、测试条件的不可控性，对颈痛患者的肌电信号特征的研究较难开展，因此研究并也不多见。在国内，对引起颈部运动的肌肉的研究主要着重于颈椎疾病的临床报告、治疗分析、治疗效果评估等［27-29］，对颈部肌肉的正常活动、用力情况的机理研究少见。华咏梅等人［30］的研究主要为面部肌肉，颈部只涉及到胸锁乳突肌，结果为在不同下颌运动时，高角和均角儿童面颈部肌肉的肌电活动差异有所不同；其活动可能与颅面垂直形态有关。而颅面垂直形态主要依靠头颈部关节来调整，因此也提示了在不同活动角度下可能会引起胸锁乳突肌的力——电变化。陈肇辉等人［31］的对颈部活动度开展研究，以计算机立体视觉为模型建立的测量系统，精确测量颈椎的活动度(精确度为0.8°)，结果显示以自然标准位为0°时，颈椎前屈、后伸,左、右侧屈，左和右旋转的主动活动度分别为：47.3°±2.9°、 38.7°±3.4°、 41.9°±2.2°、 42.9°±1.7°、68.3°±6.3°、68.5°±5.6°。另外，王艳国［32］对颈椎病颈部肌肉力、电特征作了分析，探讨了正常人和颈椎病患者颈部肌肉力/电特征及推拿治疗颈椎病对颈部肌肉力/电作用的机制。结果显示，正常人青中老年三组屈伸比有增龄性增大的趋势；正常人等长运动中颈脊旁肌、胸锁乳突肌和斜方肌肌电比值一般在1.0～1.3:1之间。颈椎病患者等长运动中，屈伸比值增高，提示颈后伸肌力减弱。后伸峰力矩角度值与正常人有显著差异，等长运动中肌电比值差别较大。等速运动颈部双侧肌肉运动开始和结束时刻肌电募集时差延迟。

3结语

因此针对日益增长的颈部疾患，开展对颈部肌肉的研究显得十分必要。综上所述，利用当代的sEMG信号的线性和非线性分析技术结合肌肉力量，研究颈部肌肉活动的sEMG信号特征以及颈部肌肉疲劳和颈部疼痛之间的关系是未来该研究领域的主要发展趋势。

参考文献：

［1］ E.A.Keshner, D.C., R.T. Katz, and B.W. Peterson, Neck muscle activation patterns in humans during isometric head stabilization. Exp. Brain Res, 1989，75:335-344.

［2］ J.S. Blouin, G.P.S., M. G. Carpenter, and J. T. Inglis, Neural Control of Superficial and Deep Neck Muscles in Humans. J Neurophysiol, 2007,98(2):920-928.

［3］ 郑思竞,主编.系统解剖学(第三版)［M］.高等医药院校教材,1994:47-50.

［4］ 邓道善, 陈.运动解剖学［M］.北京:北京体育大学出版社,1993:267.

［5］ Carolyn M. Sommerich, e., al. , Use of surface electromyography to estimate neck muscle activity. Journal of Electromyography and Kinesiology, 2000(10):377-398.

［6］ Peter W. Buckle, J.J.D., The nature of work-related neck and upper limb musculoskeletal disorders. Applied Ergonomics, 2002,33:207-217.

［7］ Airaksinen, M.K., Wireless on-line electromyography in recording neck muscle function: A pilot study. pathophysiology, 2005,12:303-306.

［8］ Kamibayashi L, R.F., Morphometry of human neck muscles. Spine,1998,23:1314-1323.

［9］ Bernhardt P, e., al., Multiple muscle force simulation in axial rotation of the cervical spine. Clin Biomech,1999,14:32-40.

［10］ Nolan JP, S.H., Biomechanical evaluation of the extensor musculature of the cervical spine. Spine,1988,13:9-11.

［11］ Queisser F, e., al., The relationship between the electromyogram-amplitude and isometric extension torques of neck muscles at different positions of the cervical spine. Eur J Appl Physiol,1994,68:92-101.

［12］ Moroney SP, e., al., Analysis and measurement of neck loads. J Orthop Res, 1988,6:713-720.

［13］ Vasavada A, L.S., Delp S, Influence of muscle morphometry and moment arms on the moment-generating capacity of human neck muscles. Spine,1998,23:412-421.

［14］ Takebe K, e., al. , The functions of semispinalis capitis and splenius capitis muscles: an electromyographic study. Anat Rec, 1974,179:477-480.

［15］ E.A.Keshner, Controlling stability of a complex movement system. Phys Ther,1990,70:844-854.

［16］ M.A. Mayounx-Benhamou, M.R.a.C.V., Surface electrodes are not appropriate to record selective myoelectric activity of splenius capitis muscle in humans. Exp. Brain Res,1995,105:432-438.

［17］ Conley MS, e., al., Noninvasive analysis of human neck muscle function. Spine, 1995,20:2505-2512.

［18］ E.A.Keshner, Motor control of the cervical spine Grieve's modern manual therapy: the vertebral column.3rd ed, 2004.

［19］ Heleen H. Hamberg-van Reenen, e., al. , A systematic review of the relation between physical capacity and future low back and neck/shoulder pain. Pain, 2007. (in press).

［20］ Falla D, R.A., Merletti R, Jull G, Myoelectric manifestations of sternocleidomastoid and anterior scalene muscle fatigue in chronic neck pain patients. Clin Neurophysiol,2003,114(3):488-95.

［21］ Merletti R, F.D., Granata A., Non-invasive assessment of motor unit properties with linear electrode arrays. Clinical neurophysiology,1999:293-300.

［22］ Gogia PP, S.M., Electromyographic analysis of neck muscle fatigue in patients with osteoarthritis of the cervical spine. Spine,1994,19:502-6.

［23］ Placzek JD, P.B., Roubal PJ, Jones BA, McMichael HG, Rozanski EA, Gianotto KL., The influence of the cervical spine on chronic headache in women: a pilot study. J Man Manipulative Ther,1999,7:33-9.

［24］ Treleaven J, J.G., Atkinson L., Cervical musculoskeletal dysfunction in post-concussional headache. Cephalalgia,1994,14:273-9.

［25］ Uhlig Y, W.B., Grob D, Muntener M., Fiber composition and fiber transformations in neck muscles of patients with dysfunction of the cervical spine. J Orthop Res, 1995. 13: p. 240-9.

［26］ Stapley PJ, B.M., Dalla Toffola E, Schieppati M., Neck muscle fatigue and postural control in patients with whiplash injury. Clin Neurophysiol,2006,117(3):610-22.

［27］ 汪凡, 殷., 综合方法治疗颈肌紧张性头痛31例［J］. 实用中医药杂志,2007,23(3):170.

［28］ 刘立明,朱., 成忠实.颈部压痛点处的手法治疗对紧张型头痛的效果观察［J］.中国临床康复,2004,8(17):3418-3419.

［29］ 李建文.指压动态平衡手法治疗颈部肌肉损伤［J］.中国中医骨伤科杂志,2002,10(1):36-37.

［30］ 华咏梅,等.高角儿童面颈部肌肉的肌电活动研究［J］.实用口腔医学杂志, 2006,22(2):195-198.

［31］ 陈肇辉,等.人体颈部活动度在体测量方法研究［J］.中国临床解剖学杂志,2003,21(3):411-412.

［32］ 王艳国.颈椎病颈部肌肉力/电特性及推拿干预临床研究［D］.上海中医药大学博士学位论文,2005:1-80.