运动性肌肉疲劳的表面肌电信号特征研究

张佑琏,马国际

●运动人体科学●

运动性肌肉疲劳的表面肌电信号特征研究

张佑琏,马国际

肌肉疲劳通常是指肌肉运动系统最大作功能力或者最大收缩能力的暂时下降,表面肌电图信号可以在一定程度上反映肌肉收缩功能的变化,其检测具有非损伤性、实际性、多靶点测量等优点。通过文献综述法简要总结了运动导致肌肉疲劳的表面肌电图特征,介绍了表面肌电图主要测量指标及其影响因素。

运动;肌肉疲劳;表面肌电图

肌肉活动是在中枢神经系统控制下的一种复杂的运动,肌肉疲劳通常是指该系统最大做功能力或最大收缩能力的暂时下降。长期以来对于运动性肌肉疲劳的机理众说纷纭,事实上,人体是一个复杂的有机体,各系统各器官并不是孤立的,而是在神经系统的调控下,相互联系,相互制约的。疲劳的本质是肌纤维的横桥和基质网的作用减弱,造成肌丝滑动减弱。三联管结构中 ADP/ATP上升,造成基质网对钙离子的摄取降低表面肌电信号是从皮肤表面通过电极引导记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号,他与肌肉的活动状态和功能之间存在着不同程度的关联性,因而能在一定程度上反映神经肌肉的活动。

1 表面肌电信号的记录

肌电图测量一般要用三个电极,两个电极放在动作电位可以被测量和放大的部位,第三个电极为接地电极,安放电极前,应该刮掉测量部位的体毛,并用细砂和无水乙醇清洁皮肤,使用导电膏,以减少皮肤电阻对肌电信号的影响。大多数学者认为,表面电极的位置应尽量靠近肌腹中心,便于从菱形肌获得最大的肌电信号。Carbeery[1]认为,将电极贴在肌肉收缩的几何中心,电极方向顺着肌纤维的纵轴方向,这样所测得的肌电信号最为可靠,且两电极相聚 2-3cm,地线接在靠近电极而运动时相对稳定的地方,这样所采集的肌电信号最为稳定。表面电极可以综合反映该部分肌肉的活动程度。表面肌电图采集的是一维时间序列信号。它是表面引导电极触及的多个运动单位时所产生的电极变化在时间和空间的叠加。从生理角度看与肌肉的纤维组成解剖结构以及不同机能状态和活动状态下的参加活动的运动单位数量,不同运动单位的放电频率,运动单位活动的同步化程度,运动单位募集模式等均有关。脂肪组织对检测结果的影响在肌肉放松时较肌肉运动时大,但是不影响双侧的对称性肌电信号可以由随意收缩和电诱发引出,随意收缩肌电信号是许多运动单位动作电位的总和。电诱发时,由于外界刺激,运动单位动作电位同步产生了一个确切的诱发反映,即M波。这种记录方法可以帮助我们确认最表面运动单位,较随意收缩产生的肌肉疲劳更迅速,获得的肌电信号变动小,更加稳定[2]。

2 表面肌电信号的测量指标

近年来随着计算机的迅速发展,使肌电图的定量分析成为可能。表面肌电信号分析包括时域分析和频域分析。其检测具有非损伤性、实时性、多靶点测量等优点。而表面肌电信号分析则是应用信号分析的理论与方法描述,发现表面肌电信号变化规律和特点的手段与方法[3]。时域分析能够为我们提供肌纤维的放电时间、放电总量、放电频率、放电振幅等,特别是在运动技术动作分析上有它的独特之处[4]而频域分析可为我们分析提供以下信息:不同类型肌纤维的动员情况,神经肌肉的供能状态,某种频率放电的集中趋势,而对于实际应用中,应同时使用时域和频域分析。

2.1 时间域分析

时间域是指可以在时间维度上反应肌电曲线的变化特征的评价指标,主要指标有积分肌电 (IEMG),平均振幅(MA),均方根振幅 (RMS),时程 (DUR)等 。

2.1.1 积分肌电 (IEMG)

IEMG是指所有肌电信号经整流滤波后求单位时间内曲线下面积的总和,反应一定时间内几点钟参与活动的运动单位放电总量,即在时间不变的前提下,其值的大小在一定程度上反映参加工作的运动单位数量多少和每个运动单位的放电大小。

2.1.2 均方根振幅(RMS)

是放电有效值,其大小决定肌电幅值的变化,一般认为与运动单位募集和兴奋节律有关[5]。

2.1.3 平均振幅 (MA)

反映肌电信号的强度与参与的运动单位数目及放电频率同变化程度有关。

2.2 频率域分析

频率域分析是指在频率方面评价肌电信号的指标分析,主要分析方法是将时域信号通过快速傅立叶转换 (FFT),获得表面积电信号的频谱或功率谱,它们可反映表面肌电信号在不同频率分量的变化,故能较好地在频率维度上反映表面积电信号的变化特征[3]。

与时域指标对比,频域指标有以下优势:(1)在肌肉疲劳过程中均呈明显的直线递减型变化,而时域指标的变化则有较大的差异;(2)频域指标时间序列曲线的斜率不受皮下脂肪厚度和肢体维度的影响,而时域指标则易受影响。(3)频域指标时间序列曲线的斜率与负荷持续时间明显相关,二时域指标的相关不明显[6].频域分析主要指标有平均功率频率(MPF)、中值频率 (MF)、时间 -MPF曲线的斜率 (MPFslope)和时间 -MF曲线斜率 (MFslope)等。

2.2.1 平均功率频率(MPF)

是指过功率谱曲线重心的频率。一般认为MPF在反映较低负荷收缩时的灵敏度较高[7]。

2.2.2 中值频率 (MF)

是指骨骼肌收缩过程中肌纤维放电频率的中间值。MF在抗噪声干扰方面具有优势,并且刻画频谱特征变化要优于MPF,但敏感性却低于MPF。

2.2.3 MPFslope和MFslope

表示时间与MPF与 MF曲线的斜率,代表运动过程中MPF或MF的相对变化。在肌肉的运动过程中,肌肉疲劳、频谱左移,表现为MPF值下降,所以 MPFslope作为评价肌肉疲劳的指标,由于缺乏统一的评价标准,评价缺乏客观性。另外有人发现,这两种斜率之间MPF随负荷时间延长的下降幅度明显大于MF[8]

3 运动性疲劳的肌电图特征

运动性疲劳的 EMG改变与以下因素有关:运动方式、运动强度、运动时间、运动性质、肌肉选择、肌肉的收缩方式、年龄、性别、受试者的自身状况、所用的计算方法、电极安放的位置及间距等。因此,在众多的肌电图研究中,结论并不完全相同。

3.1 等长收缩

Kilbom等肘屈肌以 25%MVC等长收缩做了观察,发现初始到力竭状态,肌电图的MA持续升高,力竭时达到最大值。扬丹[8]等以等长负荷中肱二头肌疲劳为模型。发现时域指标 IEMG和 RMS均随时间呈直线递减型变化。说明频域指标在反映肌肉疲劳时其效果要好于时域指标。Bendahan以前臂屈肌在 60%MVC静力收缩至力竭,肌电图低频段能量不断减少,高频段能量持续增加,但是在力竭前下降。目前,比较一致的结论是:在静力工作状态下,由初始状态到疲劳 (或力竭)EMG的振幅值随疲劳程度的加深而增加,频域值功率谱像低频方向漂移[9],可能是由于肌组织内 PH升高,引起肌细胞膜电位超极化,导致 K+外流,又会对细胞膜电位产生超极化阻滞现象,从而肌细胞兴奋性下降,肌纤维传导速度降低,从而导致肌肉放电频率相抵频带转移[10]

3.2 向心收缩和离心收缩

动力性工作至疲劳肌电图的变化与静力性工作相比较为复杂,研究结果也各异。但是从总趋势看由初始态到疲劳态(或力竭)肌电图的振幅值增加,频域值功率向低频转移。王瑞元[11]等以十二名男大学生为受试对象观察在极限负荷斜蹲过程中 (可分为离心、等长和向心收缩)骨外恻肌肌电信号的变化特点,发现 IEMG在各阶段随时间增高,在等长阶段和向心收缩阶段高于离心阶段。说明 IEMG在等长收缩和向心收缩阶段对股外侧肌电信号变化的特异性优于离心收缩阶段,Roy等以 4名健康受试者为对象,观察他们重复抬起(向心收缩)放下重物 (离心收缩)至疲劳过程中,腰部肌肉肌电图的变化,发现中心频率变化呈非线性,在一次十七和放下过程中,呈现出下降 -恢复交替出现的几个阶段。Cren-shaw等的研究中,受试者分别为 25%MVC和 70%MVC负荷进行伸膝锻炼,同步记录其股四头肌表面肌电信号,发现中值频率在两种负荷下都显著下降,但是以 70%MVC负荷时,下降率为高。RMS在两种负荷下都增加,以 25%MVC负荷时增加率为高。但 Jansen等记录了受试者进行递增负荷踏车至 100%VO2max过程中股外侧肌的肌电信号,发现中值频率随时间的延长而增加。Kroon等通过比较 50%和 40%MVC为负荷进行等长收缩、离心收缩和向心收缩至力竭的屈肘肌肌电图的变化特征。发现了三种性质工作的 IEMG,RMS和MPF的改变率比其他两种工作为高 (P<0.01)。Te-sch等比较了骨外恻肌和股直肌在离心收缩和相信收缩时的肌电变化,发现 IEMG在向心收缩时高于离心收缩。

3.3 等动收缩

W retcing等以 9名案片卖为受试者,让其在等动仪器上做伸膝动作至疲劳,并观察股四头肌等动收缩的肌电变化,发现:MPF在初期下降,随后进入稳定状态;RMS在最初 7次收缩中增加,随后出现波动,但是总的趋势是上升的。邱龙潜[12]等观察了肱二头肌在等速运动负荷下工作至力竭时的表面肌电信号特征,发现 IEMG和 RMS虽在疲劳过程中呈递增性变化,但是他们的时间原则曲线变化类型缺乏较好的一致性;然而MPF显著下降,并且时间序列曲线呈单调递增趋势,但与MF的变化缺乏较好的一致性。Gerdle采用了等动伸膝作为运动形式,记录了完成 70次最大等动伸膝过程中股四头肌肌电图的变化,发现在最初的 40次收缩阶段MPF陡然下降,而后下降率有所降低。而 Vandieen研究了骶棘肌等动收缩时发现肌电频谱改变与肌肉疲劳之间没有相关性。

4 运动性疲劳肌电图改变的机理

肌肉疲劳发生过程中肌电图频谱左移现象,目前有如下一些推测:

(1)因快运动单位很快疲劳而募集更多的未疲劳的慢运动单位参加工作。

(2)疲劳时为了维持肌肉应达到的张力而加强运动单位兴奋的同步化。

(3)肌肉收缩时血流受阻,使肌肉乳酸积累,导致运动单位传导速度下降。

(4)肌肉疲劳时肌内压升高,使血流受阻,引起肌膜兴奋,传导速度降低等。

目前认为与中枢与外周两方面因素共同作用有关,称为中枢机制和外周机制。

4.1 中枢机制

中枢机制主要指大脑皮层运动中枢的激活水平或中枢驱动以及运动神经元的兴奋发放频率及其同步化程度等对肌电信号变化的作用途径和方式。KENT-BRAU等分别使用 SEMG和电刺激对静态运动负荷诱发肌肉疲劳过程中,中枢和外周因素的作用进行了定量研究。发现,当受试者完成维持 4min的最大静态运动负荷后,MVC下降到运动初期的22%,最大电刺激肌力下降到运动初期的 33.3%,CAR由0.94下降到 0.78,MVC/强直肌力比值由 2.34下降到1.25,IEMG/CMAP由 3.29下降到 0.74,这些结果证明了中枢作用机制的存在。中枢机制的作用途径和方式目前不完全清楚,可能与运动神经元的兴奋发放频率及其同步化程度有关。

4.2 外周机制

4.2.1 代谢性酸中毒

Lindstrom等认为:代谢性酸中毒引起的肌纤维兴奋传导速度下降,动作电位波形变化是造成表面肌电信号时频特征变化的主要原因。主要支持证据是肌肉疲劳过程中MPF和MFcv的变化具有高度的数据关联,但这种关联目前尚不完全清楚。有人不同意此观点。WLES等发现,磷酸化酶缺乏,不能产生乳酸的疾病患者,运动至疲劳时,同样产生肌电图频谱左移现象。4.2.2 钾离子

钾离子是肌细胞内的一种重要的阳离子,在维持细胞膜电位的稳定和动作电位大小方面发挥着重要作用。大量研究发现并证实:运动性肌肉疲劳过程中,肌肉细胞内钾离子含量减少,而细胞外液钾离子含量增加。体外实验研究表明:当细胞内 K+从 182mmol降至 134mmol,肌细胞膜电位就从 -75mv降至 -57mv,说明细胞外高 K+可降低动作电位幅度,减慢兴奋传导速度,从而导致表面肌电信号频谱左移。

5 肌电图的未来研究展望

自应用表面肌电信号技术研究肌肉疲劳问题以来,人们对肌肉疲劳过程中表面肌电信号的参数变化规律做了大量研究,取得了很大成果,并且随着计算机技术的发展,肌电图也会有更大的发展。但是还有许多问题应该深入的研究:

1)疲劳时肌电信号产生的确切机制

2)容积传导问题,也就是常说的交调失真。解决的办法是对肌电准确定位。

3)表面肌电图仅测量肌肉的电活动,无法量化肌肉收缩所产生的力量的大小。

4)表面肌电图在动力性运动中的作用。

[1]李杰译.肌电学基础理论的回顾[J].体育科技信息,1995,15(1):11-14.

[2]汪 洁,曲 雷.表面肌电图临床应用的可能性与限制[J].国外医学物理医学与康复学,2000,15(4):169-171.

[3]王 健,刘加海.肌肉疲劳的表面肌电信号特征研究与展望[J].中国体育科技,2003,39(2):4-7.

[4]罗小兵,马 建.肌电图在运动性肌肉疲劳研究中的应用现状[J].成都体育学院学报,1999,25(4):36-38.

[5]封飞虎,等.疲劳前后的肌电图的频域特征[J].上海体育学院学报,1996,20(2):31-36.

[6]王 奎,刘建红,宋刚.sEMG技术在评价运动性疲劳方面的方法及应用[J].安徽体育科技,2004,25(2):49-51.

[7]王笃明,王 健,葛列众.肌肉疲劳的 sEMG时频分析技术及其在工效学中的应用[J].航天医学与医学工程,2003,16(5):387-390.

[8]扬 丹.等长负荷诱发肱二头肌疲劳过程中 sEMG信号变化[J].体育与科学,2000,21(9):27-35.

[9]聂金雷,张 勇.运动性疲劳的肌电图特征[J].天津体院学报,2000,15(2):48-52.

[10]王国祥,李长宏.肘关节等速运动过程中表面肌电图的变化特征[J].中国临床康复,2004,8(12):28-31.

[11]王瑞元,卢鼎厚.极限负荷斜蹲过程中股外肌肌电信号变化及针刺和静力牵张对其恢复过程的影响[J].北京体育学院学报,1991(3):29-36.

[12]邱龙潜,李 野,等.速负荷诱发肱二头肌疲劳过程中 SEMG信号变化[J].温州大学学报,2003(9):52-54.

Muscle Fatigue Characteristics of the Surface EM G

ZHANG Youlian,MA Guoji

(Physical Education Department,Soochow University,Suzhou Jiangsu,215021)

Muscle fatigue refers to temporary decline of maximal power abilityor contractive ability for muscle movement system.The signal of sEMG can reflect the change of muscle fatigue at certain extent.The test has the characters of non-damage,practicility and multi-target measurement.This article chiefly summarizes the sEMG characateristics of exercise-induced muscle fatigue by literature summary,introducing the main indices of sEMG and its influential factors.

exercise;muscle fatigue;surface EMG

G804.22

A

1003-983X(2011)01-0042-03

2010-11-14

(

张佑琏 (1960-),女,上海人,高级实验师;研究方向,实验教学与研究.

苏州大学体育学院,江苏苏州 215021