不同负荷水平颈部肌肉等长收缩的平均肌电变化特征

陈 谦,杨红春,王 健

(1.浙江省体育科学研究所,浙江杭州310004;2.浙江大学教育学院体育系,浙江杭州310028)

不同负荷水平颈部肌肉等长收缩的平均肌电变化特征

陈 谦1,杨红春1,王 健2

(1.浙江省体育科学研究所,浙江杭州310004;2.浙江大学教育学院体育系,浙江杭州310028)

目的：采用表面肌电信号(Surface Electromyographic Signal,sEMG)分析技术研究不同负荷水平颈部两侧头夹肌、胸锁乳突肌和斜方肌上部肌肉等长收缩对相关肌肉平均肌电((Average EMG,AEMG)活动的影响,为进一步开展颈部肌肉功能和康复训练效果评价提供科学依据。方法：16名无颈部疾病的健康青年男性志愿者,分别在颈椎屈曲、后伸、左侧屈和右侧屈4个运动方向上完成20%最大随意收缩力(Maximal Voluntary Contraction,MVC)、40%MVC、60%MVC、80%MVC和100%MVC的等长收缩实验,期间采集被检肌肉的sEMG信号,计算标准化的AEMG。结果：①受试者最大颈椎后伸力量显著大于颈椎屈曲、颈左侧屈及右侧屈力量,而后三者之间没有显著差异;②递增负荷水平等长收缩条件下与运动方向同侧的颈部肌肉出现收缩增强效应,而对侧拮抗肌表现出明显的共收缩现象;③运动方向和负荷水平均对各被检肌肉的AEMG有明显作用,且以上两因素对各被检肌肉AEMG有明显交互作用。结论：人体颈部最大伸颈力量显著大于屈颈、颈左侧屈和右侧屈力量,完成矢状面屈伸和额状面侧屈运动时各被检肌肉的AEMG值与负荷水平成正比。

负荷水平;颈部肌肉;平均肌电

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]。它主要包括了骨骼、骨连结和肌肉,依赖于这些解剖结构颈部可以完成复杂多变的三维运动,同时也维持颈椎的稳定性,限制其过度活动,是颈椎得以完成各种生理活动所必需的稳定结构。颈部肌肉作为一个复杂、多层次的结构体系[2],其收缩和舒张活动可以使头部进行屈、伸、侧屈、旋转、环转等多种运动[3,4]。Peter等人采用调查研究发现,从事与颈部和上肢肌肉相关的职业与其颈部功能紊乱存在着显著相关[5]。研究证明[6-8],颈痛患者颈椎周围肌肉与健康人相比更易疲劳。慢性颈部疼痛的患者与健康对照组相比前屈、后伸及旋转肌群的肌力均显著降低,伸肌群肌力减弱尤为明显。肌肉运动的不平衡导致肌肉力量的不均衡,加剧颈椎病的发生和发展。

等长收缩是人们日常活动中常见的肌肉运动方式,是临床上进行肌力评价的常规手段,也是获得表面肌电(sEMG)稳态信号的主要方法[9,10]。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,研究并未取得快速进展。然而,随着社会自动化程度的提高,人类伏案工作的时间和频率随之增加,近五年来,颈部肌肉活动的无创研究也逐渐成为运动生理学和康复医学界新的研究热点[11-15]。在国内,对引起颈部运动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[16-18],对颈部肌肉的正常活动、用力情况的机理研究少见。归纳前人的研究[19-21],本文运用表面肌电信号分析技术,对不同的非疲劳负荷等级下颈部左右两侧头夹肌、胸锁乳突肌、斜方肌上部的活动情况进行比较研究,以考察非疲劳状态下,颈部肌肉在不同活动水平下静力负荷与sEMG信号特征变化之间的关系,有助于进一步解释脊柱肌肉活动的电变化。

1 实验对象和方法

1.1 实验对象

以16名无颈部疾病的健康青年男性志愿者为研究对象,无颈部疾病的判定是先由志愿者主诉再加骨伤科医生检查诊断后确定的。实验期间受试者身体健康状况良好,无肌肉疲劳现象,实验前24小时内未进行任何形式的剧烈身体活动。年龄27.3±4.30岁,身高171.8±5.71cm,体重66.8 ±8.15kg,均为有效调查对象。

1.2 标准姿势和运动负荷

1.2.1 标准姿势。受试者坐在四脚固定的高靠背椅上,头部处于自然状态,平视前方,上身自然位保持垂直,两臂自然垂落于身体两侧,髋关节呈90°,膝关节自然放松,双脚悬空,用绑带将被试上半身固定于靠背凳上。被试正面、背面、左右侧面分别正对力学传感器,拉力条水平固定于被试双耳上缘与力学传感器呈一水平面,运动时引线平行于水平面。头部保持自然垂直原位不变,进行等长收缩。

1.2.2 最大随意收缩力(Maximal Voluntary Contraction, MVC)的测量。依随即次序测量每个被试颈部四个方向上的MVC值。采用标准姿势,通过滑轮引出绑带,要求被试用头尽全力拉固定于墙壁上的拉力传感器3次,每次间隔5min,取其中最大值作为个人MVC值。拉力传感器的力量信息通过MedLab生物电信号采集卡采集放大,以数字化形式以kg为单位显示。

1.2.3 各级运动负荷。采用标准姿势,用头部通过滑轮引线,拉住各自方向上的20%、40%、60%、80%MVC的重物,持续5 s,尽力保持标准动作姿势不变,运动结束时去负荷由协助人员完成。每次负荷之间间隔10分钟。

1.3 实验设计

采用双因素4×5被试内实验设计,自变量分别为运动方向(屈、伸、左侧屈、右侧屈)和负荷水平(20%MVC、40% MVC、60%MVC、80%MVC、100%MVC);因变量为AEMG。被检肌肉为左右两侧的头夹肌、胸锁乳突肌和斜方肌上部共计6块肌肉。所有受试者在正式实验之前均熟悉所有操作。

1.4 表面肌电电极位置

本实验选择颈部六块表层肌肉作为检测对象,它们分别是左右两侧头夹肌、胸锁乳突肌、斜方肌上部。在用砂纸对皮肤表面进行打磨之后,以酒精擦拭干净,沿肌纤维走向贴上电极片,电极中心间距2cm。

1.5 信号采集与分析

表面肌电信号的采集是在上述MCV和各级运动负荷测试下同步进行的。采用表面肌电信号采集及分析系统(M ega M E6000,Mega Electronics L td,Finland),信号的采样频率为1000赫兹,输入阻抗大于10GΩ,共摸抑制比CMRR：110dB,噪声水平小于3.5uV,带通滤波8-500Hz,A/D转换(12bit)。

截取每次运动测试信号中间的1.5秒原始sEMG信号,采用MegaWin2.4信号分析程序计算出平均肌电值(Averaged EM G,AEMG)。按照以下方法进行标准化处理：AEMG标准化值=AEMGLOAD/AEMGMVC×100%。

1.6 数据统计分析

采用双因素方差分析考察运动方向和负荷水平对被检肌肉AEMG值的影响,采用单因素方差分析比较颈部肌肉在屈伸和侧屈方向的最大肌力,统计工作由spss14.0软件执行。

2 结 果

2.1 最大随意收缩力(MVC)与AEMG变化

不同方向最大随意收缩力检测结果详见表1,单因素方差发现,颈部后伸肌力明显大于前屈和左右侧屈肌力,而后三者之间无显著差异(F=17.064,P=0.000)。

表1 不同方向上的最大随意收缩力

左右两侧颈部在完成最大随意收缩时的AEMG变化详见图1。其中,左侧头夹肌在颈后伸、颈左侧屈时肌电活动较强,两者之间差异不明显(p=0.950),而与其它两个方向有显著性差异(p＜0.01),颈前屈和颈右侧屈之间无显著差异。右侧头夹肌在颈后伸、颈右侧屈时,表现出较大程度的肌电活动,两者之间差异不显著(p=1.000),且分别与屈颈及颈左侧屈之间存在显著性差异(p=0.01)。

左、右胸锁乳突肌在屈颈时sEMG活动明显大于其他动作(p＜0.01)。对右胸锁乳突肌的AEMG来说,除了在伸颈与左侧屈、屈颈与右侧屈之间没有显著差异外,其它方向上都有显著性差异。

图1 各块肌肉在不同方向上最大用力收缩时AEM G值汇总图

左侧斜方肌上部的AEM G在伸颈与右侧屈、左侧屈与右侧屈之间存在显著差异(p＜0.05),其他动作之间均没有显著差异(p＞0.05)。右侧斜方肌上部,伸颈与左侧屈、左侧屈与右侧屈之间差异显著(p＜0.05)。

2.2 不同负荷水平对颈部肌肉活动AEM G的影响

不同负荷水平对颈部肌肉等长收缩AEM G的影响详见图2～5。双因素方差分析表明,肌肉负荷水平和运动方向均对各被检肌肉AEM G值有明显影响,且以上两因素对各被检肌肉AEM G有明显交互作用(表2)。进一步分析发现,在等长屈颈运动时左右胸锁乳突肌承担主要作用,表现在其AEM G值大于其他肌肉(p＜0.01),而左右斜方肌上部表现出协同收缩的活动模式(图2)。在等长伸颈运动时,随着用力程度的增加,左右头夹肌承担主要作用,表现为头夹肌AEM G值显著大于左右斜方肌。左右胸锁乳突肌在伸颈的运动形式下作为拮抗肌而表现出轻微的收缩,AEM G活动远小于主动肌头夹肌及协同肌左右斜方肌上部(图3)。侧屈运动时,同侧肌肉的收缩程度显著高于对侧肌肉,在较低用力水平下(＜40%MVC),各块肌肉的相对活动程度差异不明显。而随着用力程度的增加,用力侧肌肉的sEM G活动显著高于拮抗侧肌肉的活动(p＜0.01)。但同一侧肌肉的表面肌电活动在不同负荷水平下并无显著差异(p＞0.05)(图4、5)。

图2 屈颈时各肌肉的力-电关系

3 讨 论

20世纪末,Bernhard[22]与Nolan等人[23]对10块颈部肌肉进行研究发现,其中有4块颈部肌肉可用sEM G检测,分别为半棘肌、夹肌、胸锁乳突肌和斜方肌。Queisser等人[24]的研究发现,对半棘肌的检测有一定的限制条件。故而,本研究以颈部左右两侧的头夹肌、胸锁乳突肌、斜方肌上部作为研究对象。

sEM G信号源自中枢神经系统,形成于肌肉运动单位,记录于皮肤表面,是引导电极所能触及的所有运动单位的生物电变化在特定时空上的总和。当我们用物理学的测度指标力或者功率来衡量目标肌肉的活动水平时,用sEMG的特征指标来表征该活动水平下整合了神经控制和肌源性因素两个层面的综合信息,并以此来考察两者之间可能存在的关联性,便是生理学上所谓的力-电关系的研究。

表2 对六块肌肉AEMG标准化值的双因素方差分析

在非疲劳状态下,对肌肉活动力-电关系的线形分析大多局限在等长收缩,以四肢及腰部肌肉为研究对象的较多。大量的研究结果发现,时域指标AEMG随着静态用力负荷的增加呈线性递增趋势。本研究针对颈部肌肉活动进行力-电关系的研究,系统地反映了在不同运动方向时,随着负荷增加,为保持头部原有姿势,颈部肌肉用力程度也相应增加,此时对应的肌电振幅也呈现出线性递增的状况,这与以往众多研究结果[2,21-25,]基本一致。具体来说,在20-100% MVC用力范围内,主动肌sEMG振幅与用力程度之间均表现出良好的线性关系。屈颈运动中的胸锁乳突肌、伸颈运动中的头夹肌,侧屈运动时的同侧肌肉其sEMG活动程度均随着负荷的增加而逐渐线性递增。实验结果表明,在负荷水平不大(＜60%MVC)时,拮抗肌的sEMG活动随负荷水平变化不甚明显,而在机体承受较大负荷运动(＞60%MVC)时,拮抗肌的肌电活动显著增强,提示了不同负荷等级下中枢运动控制的策略差异。

在等长屈颈时,胸锁乳突肌的sEMG信号振幅显著高于其它肌肉,AEMG与负荷等级之间有着良好的线性关系,充分证明其在屈颈运动中的主要地位。在等长伸颈运动中,头夹肌的肌电活动程度比其他肌肉强,在整个力-电关系图中,sEMG活动随负荷增加呈现出曲线上升的趋势。在中等偏轻负荷条件下做伸颈运动,头夹肌的收缩程度与其最大用力情况相比相对偏低,这提示在伸颈运动中,后颈表层肌肉头夹肌可能起着协同收缩的作用,更主要的主动肌可能是位于颈部深层的其他肌肉。这一结果提示了在不同负荷水平下,由于颈部后伸肌群构成较为复杂,中枢神经系统对相关肌肉的运动控制在策略上侧重不同。颈部左、右侧屈运动时,运动侧肌肉sEMG活动明显强于对侧拮抗肌,从实验结果可以看出,在负荷水平小于60%MVC时,拮抗肌的sEMG活动随负荷水平变化不甚明显,而在机体承受较大负荷运动时,拮抗肌的肌电活动显著增强。

根据人体解剖学可以确定屈颈动作中左、右胸锁乳突肌为主动肌,sEMG检测结果也证实了这一点。尽管斜角肌、最长肌等肌肉也参与屈颈收缩,但是表面肌电记录的是表层肌肉的电活动,即胸锁乳突肌的电活动。从AEMG结果来看,胸锁乳突肌的生物电活动不仅在屈颈时最强,而且在头侧屈时,同侧胸锁乳突肌的sEMG也表现出较强的活动。解剖学图谱[3]中,左、右侧屈的肌群主要有头夹肌、胸锁乳突肌、斜角肌、头颈半棘肌、竖脊肌等。从sEMG结果看,胸锁乳突肌在左、右侧屈时的肌电振幅低于左、右头夹肌,这可以从影响sEMG信号的生理因素来加以解释。按照De Luca的整理资料[26],影响振幅的主要因素之一就是皮下脂肪的厚度。而很明显,颈部前面或者说胸锁乳突肌表面的皮脂厚度远远小于背面的皮脂[27]。这可能是胸锁乳突肌sEMG信号显著强于其他肌肉的主要原因。

通过对颈部肌肉在前屈、后伸、左侧屈、右侧屈四个方向上静态等长收缩时产生的最大用力(MVC)分析来看,颈伸时产生的MVC远远大于颈前屈、左、右侧屈时产生的MVC (p＜0.01),后三者之间没有差异(p＞0.05)。产生此结果与人类从四足爬行动物进化到两足直立行走的高等动物的这一进化过程有关,也与目前人们日常活动的姿势有关。在维持人类直立姿势时,颈部的伸肌群必须持续收缩,以抵抗重力维持颈部的稳定性,以免头过度前倾,因此,颈后伸肌群的力量就显著强于颈前屈肌群。

4 结 论

4.1 在20～100%MVC范围内,颈部相关肌肉的sEMG活动振幅随负荷水平增加而增加。

4.2 在递增负荷过程中,与运动方向同侧的颈部肌肉出现增强效应,对侧的拮抗肌表现出明显的共激活作用。

4.3 健康男性青年的最大伸颈力量显著大于屈颈、颈左侧屈及右侧屈,而后三者之间没有显著差异。

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The Changes of AEMG of Neck Muscles Under Isometric Con traction at Different Load Levels

CHEN Qian1,YANG Hong-chun1,WANG Jian2

(1.Zhejiang Institute of Sports Science,Hangzhou 310004,China; 2.Department of PE,College of Education,Zhejiang University,Hangzhou 310028,China)

To provide scientific evidences for evaluating the neck muscle function and rehabilitation training effect,this study employed sEMG analysis technology to investigate the bilateral splenius capitis,sternocleidomastoid and upper trapeziusmuscles’activities when subjects made isometric contractions with different levels of non-fatigue loads.Method：Sixteen young healthy volunteers performed isometric neck flexion,extension,left flexion and right flexion under 20%,40%,60%,80%and 100%maximal voluntary contraction(MVC)respectively.The sEMG signals of target muscles were gathered and normalized average electromyography(AEMG)were calculated.Results：①The maximal strength of neck extension was significantly higher than that of neck flexion,of neck left flexion and of neck right flexion.The latter three flexion strengths displayed no remarkable difference.②The electromyographic activities of contracting neck muscles increased with increasing work load. And the contra lateral muscles showed significant“co-activation effect.”③There were marked effects of contracting direction and load level on AEMGs of these investigated muscles.The interaction effect of two factors(direction and level)upon AEMGs of these muscles was significant.Conclusions：The maximal strength of neck extension was remarkably higher than that of other three direction contractions.AEMGs of investigated muscles were proportioned to load level when subjects performed neck extension and flexion in sagittal plane and lateral flexion in frontal plane.

load level;neck muscle;AEMG

G804.21

A

1004-3624(2010)05-0091-05

浙江省科技厅科研院所优秀青年科技人才资助计划(2008R20009)

2010-07-12

陈 谦(1977-),女,硕士,助理研究员.