表面肌电图在水中运动研究中的应用进展①

吴琼，王欣欣，王颖鹏，刘宏举

表面肌电图在水中运动研究中的应用进展①

吴琼1,2，王欣欣3，王颖鹏3，刘宏举1

水中运动研究和水疗康复近年来得到快速发展。表面肌电图(sEMG)作为陆上运动研究的有力工具，逐渐被应用于水中运动的研究。水中sEMG的检测多采用无线传输技术，可局部覆盖防水层或穿干式防水衣隔水。水中运动的肌电活动模式与陆上运动不同，肌电幅值与运动速度密切相关。水中sEMG与水中视频分析、水中足底压力等方法的综合应用将是水中运动检测和水疗康复的发展方向。

表面肌电图；水中运动；水疗；综述

[本文著录格式]吴琼，王欣欣，王颖鹏，等.表面肌电图在水中运动研究中的应用进展[J].中国康复理论与实践,2015,21(4): 445-448.

CITED AS:Wu Q,Wang XX,Wang YP,et al.Advance of surface electromyography applied in underwater exercise(review)[J]. Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2015,21(4):445-448.

近年来，水中运动的研究得到日益关注。水中环境通过浮力、阻力和静水压对人体运动产生影响，这些特性在运动生理学[1]、康复医学[2]、游泳竞技[3]甚至航天航空领域[4]得到广泛应用。既往的水中运动研究重点在于水中人体心肺功能(耗氧量、心率)和自感用力度(rating of perceived exertion,RPE)的变化，或水疗前后地面训练效果的评价。近年来关注水中运动的生物力学研究日益增多，如定量分析肌电活动、步态特征、足底压力变化等运动学和动力学参数。这些水中实时的生物力学参数与地面研究参数相结合，有助于揭示人体运动规律，获得更大康复效果。表面肌电图(surface electromyography,sEMG)因其非侵入性、应用广泛性和水中操作相对简便，得到最广泛的研究。

sEMG信号是应用特定的电信号采集设备，通过表面电极引导，从皮肤表面采集和记录肌肉随意和非随意性活动时产生的生物电-时间变化信号。sEMG信号可反映大脑运动皮层控制下的脊髓运动神经元的生物电活动，表现为众多外周运动单位电位在时间和空间上的总和。原始sEMG信号经过不同的分析转换得出的指标，可在一定程度上反映运动单位活动同步性、肌纤维募集、肌肉疲劳程度、肌肉激活顺序和激活时间等情况[5]。20世纪80年代已有国外学者进行水中游泳动作的sEMG研究[6]。

本文对国内外水中sEMG研究情况进行归纳，总结水中sEMG研究的可行性和技术要求、信号采集、数据处理方法、应用领域和发展前景等，为今后进行水中sEMG研究提供参考。

1 水中sEMG研究可行性和技术要求

鉴于水中sEMG的环境特点，为防止水的导电性对测试结果准确性、试验设备和受试者安全性的影响，必须设计科学严

谨的试验过程，并实施严密的防水处理。

1.1 防水处理

常规sEMG检测设备不能在水中环境使用，排除水对电信号记录的干扰并保证电子设备和受试者在水中的安全，是进行试验的前提。水中sEMG防水方法通常有两种：局部防水层覆盖法和穿全身干式防水服。

1.1.1 局部防水层覆盖法

局部防水层覆盖法是使用防水敷料(如3M公司Tegaderm)覆盖电极和导线。为加强防水效果，有些研究在此敷料外再增加一层泡沫贴膜(如3M公司Scotch或日本Foam Pad)[1,3]。为方便敷料密封，多使用直径不超过1 cm的银-氯化银电极置于目标肌肉肌腹，导线用弹性贴布固定。参考电极和信号转换器置于肩峰和颈后部等水面以上的部位。入水前在地面上检测肌电基线值；入水后严密监视肌电信号变化，一旦出现高宽的噪声或信号消失，意味着已经漏水。此方法的优点在于仅覆盖目标肌肉，更接近自然状态下水中运动的真实情况；缺点在于试验前后安装和拆除电极过程较为繁琐，而且试验中要始终严密监视肌电信号变化以确保没有漏水。

1.1.2 穿全身干式防水服

Mercer给受试者穿戴一种专为水上运动设计、可进行全范围关节活动的全身干式防水衣，并在手、脚踝和颈部开口处进行防水密封。检测时先安装电极，再穿防水衣，信号转换器置于水面以上[7]。此方法的优点是无需专门花时间安装防水装置，可进行长时间测试；缺点是受试者体型必须符合所提供的防水衣，而且信号转换器放置在颈部开口处仍有潜在进水风险，并且尚不清楚防水衣本身是否对运动产生影响。

1.2 测试设备

水中运动和康复训练动作幅度较大，大部分研究选用无线而非传统有线sEMG信号传输技术。为证实不同检测方法对结果有无影响，Clarys分别在水中和陆地情况下对同一肌肉同时进行有线和无线sEMG测试，发现检测结果无明显差异[6]。Masumoto的一系列水中sEMG试验中，出于对受试者安全的考虑，总是使用无线传输方式并将信号转换器置于水面上，避免任何交流电接触人体[1,8-11]。

除此以外，Whitting等尝试使用电流信号代替电压信号来采集sMEG信号，在无防水措施的情况下，在空气中和自来水和盐水中，通过放大器记录单极肌电图信号。研究者发现，与空气中测量相比，使用电流法进行水中测量，未见信号幅值丢失。尽管不同条件下信号幅值和频谱存在一些明显差异，但无论在何种试验条件下(空气中、自来水和盐水中)，肌肉用力收缩的信号幅值和频率整体表现出一致性，认为使用电流信号记录水中肌电活动信息的方法与干燥条件下sEMG检测具有可比性[12]。考虑到传统双极sEMG水下检测的难度，这种新方法在评价水中肌肉功能方面极具潜力。

1.3 运动参数设置

水中sEMG研究另一个特点是需考虑运动参数的设置。由于水中浮力、阻力、静水压等特点，某些生理参数与地面环境下差异很大，且与运动模式显著相关。如在相同心肺反应和RPE评分情况下，水中步行速度低于地面，水中受试者步频和步长均较低；相反，受试者在水中为达到与地面相同的步行速度，需采用低步频高步速的运动模式，此时水中心肺反应和RPE远高于地面环境[8]。为使水中与地面测试数据具有可比性，在进行sEMG研究中必须统一某些参数条件。

2 水中sEMG分析指标

水中sEMG评估常用指标和分析与地面测量并无明显差异。sEMG信号处理方法主要有时域指标、频域指标、激活时间指标、激活顺序指标和协调性指标等。康复和游泳训练的分析一般为时、频域分析法。需要注意的是，在对水中sEMG数据进行标准化处理时，大多数研究以该肌肉在陆上的最大自主收缩(maximum voluntary contraction,MVC)的肌电值作为参考值[5]。其中最常用的是以MVC对sEMG数据进行标准化，在相对的基础上(%MVC)进行不同个体间比较。尽管这是地面sEMG测量的标准程序，但由于水中MVC振幅低于地面MVC[9]，这一步骤的必要性和准确性仍需进一步研究。

3 水中sEMG研究进展

水中sEMG在水中运动生理研究、水疗康复评估、游泳动作训练等方面均已开展。其中Masumoto团队和Miyoshi在水中运动生理研究方面做出了重要贡献。

3.1 水中步行

水中步行运动的研究结果大部分与日常生活体验和地面步行研究一致，而另一些则出乎研究者意料。大部分水中步行研究都设置相似的试验条件，如水深到剑突或腋下水平(下肢负重分别为地面的30%、20%)，水温30～34℃，室温24～26℃(中性温度，避免环境导致受试者体温和代谢率变化)[1,13]。

Masumoto进行了一系列不同水中步行模式和步行速度时下肢sEMG研究，发现在相同心肺反应和RPE情况下，水中以接近1/2地面速度步行即可消耗相同的能量，此时下肢sEMG活动普遍低于地面[8]；在相同步速下，水中RPE和心肺活动远大于地面步行，此时水中股内侧肌、股直肌、股二头肌和腓肠肌的平均肌电活动大于地面，而胫骨前肌则没有差异，水中股二头肌活动随步速增大而显著增加，臀大肌轻度增加[8]；在自感舒适的速度下，水中步行速度低于地面步行速度，躯干和下肢大部分肌肉sEMG峰值低于地面，腓肠肌变化不大，而股二头肌平均sEMG则高于地面；地面步行时，下肢肌肉sEMG信号有明确的高峰，而水中则为平台式EMG[9]；老年人水中步行与地面行走时，都表现出屈髋肌活动增加，跖屈肌活动降低的特点[9]；水中倒退行走时，椎旁肌、股内侧肌、胫骨前肌活动高于水中向前行走时，而股直肌、臀中肌、股二头肌和腓肠肌在此两种运动形式中无明显差异[10]；无论向前行走还是倒退行走，喷流阻力都会增加躯干肌群和下肢肌群的活动[11]。

Miyoshi进一步详细比较水中步行与地面步行时下肢各肌肉电活动的差异，发现水中环境下，股二头肌和内侧腓肠肌活动随速度增加而增加，但地面步行速度增加时，仅有内侧腓肠肌活动增加，而股二头肌活动不增加；地面步行时，自感舒适

速度步行和快速步行的速度差较水中更大，认为与地面步行相比，水中步行需激活更多的肌肉才可产生微小的速度变化[13]。Miyoshi研究水中不同负重情况对下肢sEMG的影响，发现内侧腓肠肌活动与速度相关，而比目鱼肌与负重相关性更高[14]。

3.2 水中其他运动形式

Masumoto比较了深水中跑步和地面平板跑步时下肢肌肉电活动情况。发现相同RPE水平条件下，无论RPE等级如何(较轻、有点难、困难)，深水中跑步时胫骨前肌和腓肠肌肌电活动都明显低于地面平板跑步，股直肌和股二头肌活动则近似或低于地面平板跑步。认为同等RPE情况下，深水中跑步较地面平板跑步可达到更高的肌电活动水平；相同步频下，深水中跑步时股直肌和股二头肌肌电活动大于地面平板跑步，而深水中高抬腿跑步时，股直肌肌电活动低于地面平板跑；腓肠肌肌电活动在两种深水中跑步形式下均低于地面平板跑步。总结为下肢肌电活动变化不仅与水中特殊环境有关，还与活动形式相关[1]。

Cuesta-Vargas分析水中从坐位到立位时肌电活动变化，发现水中从坐位到立位转换时，下肢肌电活动明显低于地面，但是腰腹肌肌电活动则大于地面训练时[15]。Bressel发现，水中进行脊柱稳定性练习时，躯干肌肉的活动低于地面，并推测背痛患者先进行水中躯干肌肉练习，再进行地面训练会更加容易[16]。

Fujisawa等在特定肩部姿势下，对肩周肌肉同时进行sEMG检测和针式EMG检测，发现水中肩部肌群肌电活动是地面的1%～20%[17]。Kelly进一步发现，水中肩关节慢速外展活动时，肩周肌群肌电活动低于地面，但在快速运动时则与地面无差异[18]。

Pöyhönen等还进行了水中膝关节训练时，膝关节周围肌群sEMG研究[19]。

以上水中各种运动形式的sEMG研究可以归纳为，水中低速运动时(0.6 m/s以下[4])，浮力和静水压对水中运动影响较明显，水的黏滞性(阻力)作用较小甚至可以忽略，浸入水中的各部位肌电活动普遍低于地面条件，主要与减重和潜在的神经反射作用相关[10]。随着水中运动速度增加，阻力作用越发明显，用于对抗阻力的肌电活动显著增加，达到某一阈值后将高于地面相同运动肌电活动；与阻力作用无关的肌肉仍保持较低的活动水平。需要注意的是，水中运动时阻力可能是多方向的，且在垂直方向与重力、浮力存在叠加或抵消。因此，在设计水中运动和康复训练时必须全面考虑这些因素的相互作用，以达到训练目的。

3.3 水中sEMG在康复领域的应用

以上研究均为对健康受试者在不同运动模式下水中和地面sEMG的比较。近年来逐渐有研究者将水中sEMG引入康复研究和水疗评价中。Oliveira比较了正常儿童和脑瘫患儿在地面、水中行走和水中坐-立位转换时股直肌sEMG，发现在上述3种情况下，脑瘫患儿股直肌sEMG均大于健康对照[20]。Matsumoto发现，对脑卒中后偏瘫患者进行足部温水浴可短时间内降低下肢肌张力和F反射幅值，是一种有效的非药物性抗痉挛方法[2]。Kim联合应用水下摄像和sEMG研究脑卒中偏瘫患者水中和地面跨越障碍物训练，发现在进行跨越障碍物动作时，脑卒中患者总是以健侧下肢为支撑腿，患侧下肢为摆动腿；水中跨越障碍时，不仅髋关节屈曲程度大于地面，且完成动作时水中股直肌、股二头肌sEMG低于地面[21]。

4 小结

水中sEMG是水中运动生理学、生物力学和水疗研究的有利工具。水中sEMG可客观分析水中运动时肌电活动，了解患者水中训练情况，为医生指导患者训练提供重要参考依据。但目前研究大多着重于对健康受试者水中不同运动模式或参数下相关肌肉的sEMG变化趋势。这种单一的sEMG对现实的运动分析是不系统、不完整的，因此逐渐有学者将运动耗氧量、水下摄像、足底压力分析等方法与sEMG相结合。如Miyoshi联合应用3D水下摄像、防水测力台和水中sEMG，分析不同步速对下肢肌肉活动的影响，发现水中步行时足底前、后部压力和膝关节角度变化与地面情况不同，认为水中步行训练有助于协调大肌群，尤其是下肢伸肌群的活动[13-14]。这种多参数综合研究将是水中sEMG的发展方向，即通过水中环境下sEMG和其他运动生理、生物力学指标的监测，对水中人体生理运动参数进行综合分析，对水疗康复患者进行科学、定量、综合的分析和干预，从而更好地发展和利用水中运动、水疗康复。

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Advance of Surface ElectromyographyApplied in Underwater Exercise(review)

WU Qiong1,2,WANG Xin-xin3,WANG Ying-peng3,LIU Hong-ju1
1.Capital Medical University School of Rehabilitation Medicine,Beijing 100068,China;2.Department of Modality Therapy,Beijing Bo'ai Hospital,China Rehabilitation Research Centre,Beijing 100068,China;3.Capital Medical University School of Biomedical Engineering,Beijing 100069,China

Underwater exercise and hydrotherapy have rapidly developed in recent years.As an noninvasive and convenient tool,surface electromyography(sEMG)has been applied in underwater research.In favour of experiment procedure,underwater sEMG needs localized waterproof seal or whole-body waterproof suit,and are mainly detected by telemetry system.The muscle activity pattern of underwater exercise is different from on land exercise,the sMEG amplitude is correlated with motion velocity.Compound underwater motion analysis includes sEMG,video and foot pressure will be more effective assessment tool for underwater exercise and hydrotherapy research.

surface electromyography;underwater exercise;hydrotherapy;review

10.3969/j.issn.1006-9771.2015.04.017

R741.044

A

1006-9771(2015)04-0445-04

2014-11-19

2015-01-12)

1.首都医科大学康复医学院，北京市100068；2.中国康复研究中心北京博爱医院理疗科，北京市100068。3.首都医科大学生物医学工程学院，北京市100069。作者简介：吴琼(1982-)，女，满族，山西晋中市人，硕士，医师，主要研究方向：康复医学与理疗学。