对踝关节主要屈伸肌群sEMG测量标准化验证研究

郭东雪 ，黄 振 ，陈 伟 ，李小生 ，王 琨 *

0 前言

表面肌电图（sEMG）的测量与分析是肌肉生物力学研究中重要的手段与方法之一，已得到深入研究且应用广泛。sEMG的测量主要是为了获取肌肉活动的放电情况及收缩特征，主要包括肌肉（群）发力时序、肌肉疲劳与肌肉的收缩强度（力量）等。由于在人体测量中受一些因素（如皮下脂肪厚度、肌纤维类型、肌肉静息长度、肌容积/横截面积、收缩的速率、姿势的微小变化、年龄及性别等）和操作过程中的不可控因素（如皮肤阻抗、电极间的距离）的影响[1-4]，因此对不同受试者同一肌肉或同一受试者不同肌肉的sEMG测量指标直接进行比较分析是不准确的，对肌肉sEMG进行标准化测量则显得尤为重要。

本研究主要对人体运动（体育运动）中受试者各肌肉之间和不同受试者同一肌肉之间的肌肉收缩特征比较分析，并通过比较所获得的跳深动作sEMG各参数指标的标准化值与人体静力性和动力性动作中的肌肉各种收缩方式（速度）下的sEMG信号标准化值和标准化测量方法进行研究，找出sEMG指标的标准化与非标准化之间的差异，为肌肉间和个体间sEMG的比较提供科学的理论依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以体育专业12名健康男性大学生为实验对象，运动年限均在3年以上，以sEMG各参数、等速肌力值以及跳深动作踝关节屈伸肌的sEMG为研究对象来获取sEMG测量的标准化值并研究标准化前后的差异。实验对象基本情况：年龄为（20.17±0.94）岁，身高为（171.83±3.54） m，体重为（66.33±4.33） kg，BMI为（22.44±0.3） kg/m-2。

1.2 实验方法

1.2.1 sEMG测试

运用无线遥测肌电测试仪 （MegaWin6000，芬兰），采样频率为 1 000 Hz[5]，测试肌肉为踝关节伸肌（右侧腓肠肌后段）和屈肌（右侧胫骨前肌），并与等速肌力及高速摄影同步。

1.2.2 踝关节屈伸肌群等速肌力测试

受试者严格按照等速力量测试的规范要求，在等速力量测试系统（ISOMED2000，德国）上完成右侧踝关节伸屈肌群最大随意等长收缩 （MVIC）、60°/s、180°/s的等速向心收缩测试[6-8]。每一测试速度下重复完成5次屈伸，取峰力矩最大值。

1.2.3 跳深测试

受试者按跳深测试要求完成动作。用一台摄像机（CASIO-FH25，日本）定点拍摄受试者的整个运动过程。机距10 m，机高1.2 m，拍摄频率为120 Hz[5]。

1.3 数理统计法

1.3.1 数据的读取

通过图像解析软件APAS获取受试者跳深的腾空时间，运用运动学公式计算出人体重心的腾起高度及腾起速度。

通过等速测试结果选取所需的不同动作的力矩值，并确认相应的肌电图时段。通过视频与肌电图的同步进一步精确所需肌电图时段。将峰力矩最大值及 sEMG 各指标（MA、RMS、iEMG）在 Excel中进行平均值、标准差及标准化值的计算，并绘制相关的数据表格。

1.3.2 统计方法

运用SPSS17.0统计软件对所获表面肌电参数、动力学参数及运动学参数进行常规的统计学处理并进行数据的相关性分析与独立样本T检验 （受试者姓名用①～来表示）。

2 研究结果

2.1 等速肌力与sEMG的关系

平均振幅（MA）反映肌电信号的强度，与肌肉参与的运动单位数目的多少及放电频率的同步化变化程度有关[1,3]，而力矩值则代表了肌力的大小。本研究选取的是相同时段内的MA与力矩值的变化趋势来研究肌力与sEMG的关系。

一般认为肌肉用力越大，肌电信号就越强。根据Kellis、蒋海鹰等人对人体下肢各肌肉肌力及肌电的研究可知等长肌力与肌电之间有一定的线性关系[10-12]，也就是两者之间存在一定的相关性。研究发现，MVIC下伸肌和屈肌肌力矩与MA的相关系数r分别为0.81、0.85，与前人研究结果相符。60°/s等速向心收缩中，伸肌和屈肌肌力矩与MA的相关系数 r分别为 0.61、0.84；180°/s等速向心收缩中，伸肌和屈肌肌力矩与MA的相关系数r分别为0.64、0.88，均显著相关。表明同一动作过程中，伸肌和屈肌肌力矩与MA的趋势变化在0.01水平上呈高度的正相关。

根据力-速度曲线可知，肌肉收缩的力与其收缩速度成反比，即在一定范围内，速度越快，肌肉收缩力量越小，当肌肉收缩张力达到最大值时，肌肉的收缩速度为零即等长收缩[13]。

由表1可知，踝关节MVIC中的肌力矩值最大，屈伸肌在收缩速度增加的情况下，力矩值越来越小，符合力-速度曲线的规律。踝关节在等速60°/s和180°/s向心收缩的力矩值与MVIC峰力矩相比都呈现出非常显著性差异P＜0.01。此外不同收缩方式、不同收缩速度下伸肌的力矩值远远大于屈肌，踝关节在MVIC和两种速度下的向心收缩中屈、伸肌力矩值有非常显著的差异性P＜0.01。

表1 不同收缩方式、不同收缩速度下踝关节的肌峰力矩值（N·m）（X±S）Table I Muscle Peak Torque Values(Nom)of the Ankle Joint under Different Contraction Modes and Different Contraction Speeds(X±S)

由表2可知，伸肌与屈肌MVIC和等速60°/s、180°/s向心收缩的RMS值与 iEMG的值均随收缩速度的增大而减小。等速60°/s向心收缩的RMS、iEMG值与MVIC相比P＜0.05，差异性显著；等速180°/s向心收缩的 RMS、iEMG值与 MVIC相比P＜0.01，差异性非常显著。在相同收缩方式下，踝关节伸肌的RMS、iEMG值均小于屈肌，且P＜0.01差异性非常显著。这与前面的研究结果不符，因此有必要进行sEMG测量的标准化。

表2 不同收缩形式、不同收缩速度下的RMS、iEMG（uV）Table II RMS and iEMG(uV)under Different Contraction Modes and Different Contraction Speeds

2.2 标准化测量的检验

由于肌肉的收缩包含静力性与动力性两种收缩方式，是以静力性的MVIC还是动力性的等速向心收缩作为标准化值需进一步的进行探索。跳深动作中下肢肌肉在较短时间内可完成离心、等长和向心收缩之间的转换[14-17]，且跳深动作的腾起速度也是反映肌肉爆发力的重要指标，因此跳深是作为本研究基于实际动作检验标准化有效性的最佳选择。

2.2.1 跳深动作中不同人同一肌肉标准化前后RMS、iEMG的对比

由表3可知伸肌RMS值在标准化前后有了明显的变化。标准化前，受试者⑦的RMS值最大，受试者③最小，以MVIC作为标准处理后，受试者⑤RMS的值变为最小，受试者①变为最大，且其他受试者的RMS值顺序发生了相应的变化。分别以等速60°/s和180°/s向心收缩值作为标准处理后，各受试者标准化前后的大小都有一定的变化。此外，等速60°/s向心收缩作为标准与MVIC比较无显著差异，P＞0.05，而等速180°/s向心收缩与MVIC相比有显著的差异，P＜0.05。

表3 踝关节屈伸肌标准化前后RMS的值Table III RMS Values before and after Standardization of Ankle Joint Flexor and Extensor

屈肌RMS值在标准化前后也出现了不同。标准化前受试者①③⑦⑨的RMS值较大，受试者④⑤⑩的值较小 ，标准化之后值大小发生了变化，以MVIC作为标准与标准化前对比，所有受试者RMS值大小前后变化不大，以60°/s作为标准，受试者⑤的值明显变大，受试者③却变小了，以180°/s作为标准可以看出受试者⑧的值明显变大。此外，等速60°/s向心收缩作为标准与MVIC比较无显著差异，P＞0.05,而等速180°/s向心收缩与MVIC相比有显著的差异，P＜0.05。

由表4可知伸肌iEMG值标准化前后也发生了变化。标准化前所有受试者伸肌iEMG值最大值为受试者⑧，受试者⑦次之，最小为受试者，以MVIC作为标准处理后，受试者①最大，受试者⑧靠后，最小依旧为受试者；以60°/s作为标准，受试者⑧⑦和⑩的顺序不变，而其他受试者标准化前后iEMG值的大小有明显的变化；以180°/s作为标准处理后，所有受试者RMS标准化值出现了不同程度的变动。此外，以等速60°/s向心收缩作为标准与MVIC比较无显著差异，P＞0.05，而以等速180°/s向心收缩作为标准处理后的值与MVIC相比有显著的差异，P＜0.01。

表4 踝关节屈伸肌标准化前后iEMG的值Table IV iEMG Values before and after Standardization of Ankle Joint Flexor and Extensor

以MVIC作为标准，所有受试者屈肌iEMG值标准化前后大小浮动不大，可能是由于附着在踝关节屈肌（胫骨前肌）的皮脂较薄，对肌电信号的采集影响不大，然而以等速60°/s向心收缩作为标准与 MVIC比较有显著差异，P＜0.05，而等速180°/s向心收缩与MVIC相比有非常显著的差异，P＜0.01。

且由表3可知，跳深动作中，伸肌RMS均值为339.33，屈肌 RMS均值为227.92，伸肌RMS值大于屈肌，由表4可知，跳深动作中，伸肌iEMG均值为269，屈肌iEMG均值为172.33。伸肌iEMG值大于屈肌，同时可以看出无论以MVIC还是以两种向心收缩速度为标准，标准化之后的RMS值和iEMG值均为伸肌大于屈肌，符合动作中肌肉用力规律，而以哪种收缩方式或收缩速度进行标准化最为合适，还需进一步验证。

2.2.2 标准化前后RMS、iEMG值与跳深腾起速度的相关性

运动员的腾起初速度V0决定了重心的上升高度（H），速度越快腾起高度越高，因此可以用腾起速度的大小来反映标准化的有效性[18]。

由表5可知，伸肌RMS标准化前的相关系数为r=0.48，P＞0.05，与腾起速度不相关。标准化之后，以MVIC和等速60°/s向心收缩为标准进行标准化后的值与腾起速度均相关，均呈显著相关。以MVIC为标准的标准化值相关性高于以等速60°/s向心收缩为标准的标准化值。而以180°/s向心收缩为标准的标准化值与腾起速度不相关。伸肌iEMG标准化前的值与腾起速度也不相关。3种标准化方式下的iEMG值均与腾起速度有关，其中以MVIC为标准的相关性最大。

表5 伸肌RMS、iEMG值标准化前后与腾起速度的相关结果Table V Relations between Jumping Speed and the Values of RMS and iEMG of Extensors before and after Standardization

由表6可知，屈肌RMS标准化前的相关系数为r=0.63，P＜0.05与腾起速度相关。标准化之后，3种标准化方式下的RMS值均与腾起速度有关，且P值均小于0.05，相关性显著。其中以MVIC作为标准的相关性最大，以等速60°/s向心收缩作为标准相关性次之，以180°/s向心收缩作为标准的相关性最小。屈肌iEMG标准化前的值与腾起速度不相关，标准化之后，以MVIC为标准相关性最大，相关系数为0.71，以等速60°/s向心收缩作为标准的相关系数为0.64，均呈显著相关。而以180°/s向心收缩为标准的标准化值与腾起速度的相关性虽为0.44，但P＞0.05，说明其与腾起速度的相关性不大。综合表5、表6可知以MVIC作为标准，RMS、iEMG与跳深腾起速度的相关性最大。

表6 屈肌RMS、iEMG值标准化前后与腾起速度的相关结果Table VI Relations between Jumping Dpeed and the Values of RMS and iEMG of Flexors before and after Standardization

3 分析与讨论

综合表1、表 2可以看出，sEMG的 RMS、iEMG的值与相对应的肌力矩值在同一肌肉不同收缩速度下所呈现出的规律较为一致，而在不同肌肉同种收缩形式下所呈现的规律有所不同，从力矩与MA的高度相关性来看，伸肌力矩值到屈肌力矩值有减小的趋势，相应的sEMG值也随之减小，而踝关节屈伸肌sEMG值对比中出现了屈肌值大于伸肌的相反结果。可想而知，用得到的表面肌电图参数值是不能直接用于肌肉间的比较的。因此若要实现对同一受试者的不同肌肉或不同受试者的同一肌肉之间sEMG测试指标进行比较，就必须进行肌肉sEMG的标准化测试。

需要强调的是积分肌电的标准化处理。由于它是所得肌电信号经整流滤波求单位时间内曲线下面积的总和，即肌电图曲线在时间轴下包围的面积大小，且不同受试者完成测试动作的时间不可能完全相同，导致测试肌肉的iEMG结果不对等，所以不能直接进行比较，必须先进行时间标准化处理[22]，消除在时间上的不等因素，以保证结果的一致性和可比性。在此基础上再进行以MVIC为标准的标准化处理进行肌肉间的比较。然而在查阅大量文献中发现，大多数都是直接应用积分肌电的值，并未作标准化处理。如郭建龙的研究发现受试者跳深着地阶段缓冲期的积分肌电值大于蹬伸期值，正常状态下跳深时，下肢所测大多数肌肉的表面积分肌电值均比相对疲劳状态下的值大[23]。但从数据值来看未进行标准化处理，推测标准化处理后结果可能有变化。

跳深动作中，从不同人同一肌肉标准化前后RMS、iEMG的对比中分析发现，皮下脂肪的厚度对sEMG信号采集的影响较大。从运动解剖学角度来分析，屈肌位于小腿屈嵴外侧[19]，皮下脂肪较薄，对于表面肌电信号的采集干扰较小，因此所采集到的屈肌sEMG参数值较为准确，标准化前后的变化不大。而伸肌位于小腿后方皮下，脂肪厚度较屈肌而言大得多，干扰性强，标准化前后变化差异会较为明显。

在跳深动作中，缓冲阶段的伸肌做离心收缩，肌肉中的弹性成分被拉长从而产生阻力，与此同时肌肉中的弹性成分也产生了最大阻力，加之牵张反射使得伸肌产生较大的张力。此外，蹬伸阶段伸肌作为原动肌做向心收缩使踝关节背伸，两个阶段充分发挥作用的伸肌活性被充分激活，放电量也随之变大[20,21]。而屈肌作为伸肌的拮抗剂，较伸肌的放电量会相应的小一些。从同一人不同肌肉标准化前后RMS、iEMG的对比中分析发现，3人伸肌的RMS值小于屈肌，而在iEMG值的对比中却出现了4个人的屈肌大于了伸肌，因此需通过标准化处理后分析sEMG数据，以此判断肌肉用力大小。

结合跳深动作当中踝关节屈伸肌的用力大小以及不同方式标准化后与跳深腾起速度的相关性分析可知，以MVIC作为标准化值最为合理。通常的做法是采集所选肌肉MVIC下的表面肌电，并取3次肌电幅值的平均值作为参考值。这里面的难点是肌肉做MVIC动作的选取。一般有两种形式：一种是通过等速肌力测试的方法，测试单关节肌群MVIC时的表面肌电；另一种是通过1RM动作测试来获取所选肌肉表面肌电图。然而两种方式均是多个肌群共同收缩的结果，并非所选肌肉真正MVIC下的肌电值，因此选取最佳MVIC测试动作是关键。本文MVIC采用的是等速肌力测试法，后续研究将选用1RM测试做进一步的验证。

4 结论

跳深动作下肢肌肉标准化前后的sEMG值比较情况发生了明显的变化，以最大随意等长收缩为标准的sEMG标准化值与跳深腾起速度的相关性最高，因此要进行不同人同一肌肉或同一人不同肌肉之间sEMG的比较，以最大随意等长收缩作为标准最为合理。