表面电极与单极针电极采集胫前肌电信号的相关性研究

张珊珊 吴文李婷婷 王艳君 王楚怀

1 中山大学附属第一医院康复医学科（广州510080）

2 南方医科大学珠江医院康复医学科（广州510282）

表面肌电图（surface electromyography，sEMG）对局部肌肉活动水平和功能状态反应敏感且特异性较好，具有客观性强、操作简便、可实时测量等优点，目前在运动医学和康复医学领域得到广泛应用[1]。然而，表面电极无法准确记录某一块肌肉的肌电活动，尤其是深部肌肉，如多裂肌、胫后肌等，只能记录电极下或其周围肌肉的电活动，所测的是肌肉群肌电反应的总和[2]。如何采用一种改良的方式准确反映深部靶肌肉的活动和功能状况，是一个亟需解决的问题。本研究采用sEMG 系统分析比较表面电极与单极针电极在采集胫前肌最大随意等长收缩时线性指标（包括时域与频域特征）和非线性指标LZ 复杂度的相关性与差异性，观察单极针电极采集胫前肌电活动的变化特点，探讨一种有针对性的、评估单一靶肌肉功能活动的有效方法。

1 对象与方法

1.1 研究对象

通过广告征集方式选取居住地相同或相近且性别、年龄、受教育程度相匹配的健康志愿者17例，其中女11例，男6例；年龄22.76 ± 3.31岁（20～31岁）；受教育年限15.65 ± 1.80 年（14～21 年）。纳入标准：（1）体质指数（body mass index，BMI）在正常范围内；（2）近1 个月内无疼痛经历，未服用解热镇痛类、镇静催眠类药物；（3）无精神或神经系统疾病，无严重器质性疾病。排除易出血体质、女性行经者。为保证研究一致性，统一由一位研究者在试验前向受试者说明研究目的、方法、可能存在的风险及不适，并详细解答其疑问。该试验已经获得中山大学附属第一医院伦理委员会认可，所有受试者均签署了知情同意书。

1.2 方法

（1）实验设备和实验前准备

采用绍兴UMI-SE-I 型表面肌电分析系统对受试者胫前肌的肌电活动进行检测（室温约25℃）。受试者仰卧于治疗床上，双臂放松置于躯干两侧，先后采用表面电极和单极针电极对双侧胫前肌的肌电活动进行记录，两种电极采集EMG 电信号的先后顺序伪随机，两组间采集间隔5～10分钟。

定位：取双侧髌骨和踝关节之间的胫骨上1/3，以其为中心向外侧旁开2 cm处为胫前肌电记录点，两记录电极沿肌纤维走形相距2 cm。参考电极在记录电极外侧5 cm 处。原始EMG 信号记录的取样率＞3000 Hz，分辨率为0.1μV，通频带宽为15～1000 Hz，共模抑制比＞110 db，噪音＜1μV。

（2）表面电极数据采集

皮肤用酒精消毒后，将6个直径1 cm圆形银-氯化银电极片贴于受试者双侧胫前肌的定位处（左、右侧各有2 个记录电极和1 个参考电极）（图1a），连接肌电图机。①静息态：采集受试者静息状态下的肌电值，振幅＜5μV即可进行下一步骤；②肌力测试/最大肌电值：嘱受试者进行胫前肌最大随意等长收缩（maximal volun⁃tary isometric contraction，MVIC），即以最大力量做踝内翻背屈运动，持续5 s，休息10 s，共记录3 次。③耐力测试：休息3 min后，嘱受试者以最大力量做踝内翻背屈运动，持续30 s。

图1 表面电极与针电极采集胫前肌电活动

（3）单极针电极数据采集

针电极采用一次性无菌针（0.30×25 mm），与表面电极相同位置垂直进针1.5～2.0 cm。采用鳄鱼夹电极线一端连接针柄，一端连接电极（图1b）。肌电信号采集方法同表面电极。

采用视觉模拟评分法（visual analogue scale，VAS）对针刺破皮肤、肌肉收缩时引起的疼痛进行评分（0～10分，其中0分为无痛，10分为无法忍受的疼痛），并询问受试者是否伴酸、麻、沉、胀等不适感。

1.3 数据分析处理

将检测过程中贮存在随机存取存储器（random ac⁃cess memory，RAM）中的EMG信号经光纤传输至计算机，经快速傅立叶转换（FFT）频谱分析程序处理，提取胫前肌收缩时电信号的线性指标平均肌电值（average electromyography， AEMG）、均方根值（root mean square，RMS）、中位频率（median frequency，MF）、平均功率频率（mean power frequency，MPF）及非线性指标LZ复杂度，并分析两种电极下胫前肌中位频率斜率（median frequency slope，MFs）。

1.4 统计学分析

采用SPSS 13.0软件进行统计分析，所有数据均以平均数±标准差± s）表示。为比较表面电极和单极针电极在胫前肌电活动EMG 信号特征变化方面的相关性，采用Pearson 相关分析两种电极下线性指标AE⁃MG、RMS、MF、MPF，并采用配对样本t检验分析组间差异，以P＜0.05为差异有统计学意义。

为了分析非线性指标LZ复杂度的分布特征，采用Pearson 相关分析方法分析两种电极下静息状态、最大肌力和耐力时LZ复杂度的相关性，并比较三种状态下的组间差异：方差齐时组间比较采用单因素方差分析（one-way ANOVA），多重比较采用Bonferroni 校正；方差不齐时组间比较采用Kruskal-Wallis H检验，多重比较采用Tamhane's T2校正，以P＜0.05 为差异有统计学意义。

为了进一步分析针电极所致疼痛对肌电信号采集的影响，选取两种电极静息状态下MFs 值进行配对样本t检验，比较组间差异，并选取针刺时AEMG、MF、LZ复杂度分别与VAS 评分作相关性分析，以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 疼痛感知

所有受试者均顺利完成实验，均符合入组标准。针刺破皮肤时有轻度疼痛，疼痛强度VAS 评分在1～4分范围内，平均2.82 ± 1.02分，约15～20 s后疼痛明显减弱直至完全消失，部分受试者伴有酸胀感。针电极下胫前肌收缩时，疼痛VAS评分在3～5分范围内，平均4.24 ± 0.83 分。实验完成拔出针后，受试者疼痛明显缓解，1～3分钟后完全消失，无其他不适。

2.2 两种电极下胫前肌肌电线性指标的相关性

表面电极与单极针电极下，左、右侧胫前肌AE⁃MG、RMS均相关（P＜0.05）（表1）。两种电极下左、右侧胫前肌MF、MPF均相关（P＜0.05）（表2）。

表1 两种采集方法检测胫前肌肌电时域指标相关分析

表2 两种采集方法检测胫前肌肌电频域指标相关分析

2.3 两种电极下胫前肌肌电线性指标的比较

两种电极下胫前肌AEMG、RMS 差异无统计学意义（P＞0.05），MF、MPF 差异有统计学意义，针电极组胫前肌MF、MPF 大于表面电极组（t=-10.041/-11.006，P＜0.001）（表3）。

表3 两种采集方法检测胫前肌肌电线性指标比较

2.4 针刺对肌电采集的影响

静息状态下，单极针电极下胫前肌MFs 均为0，提示采用针电极时肌电信号干扰小；表面电极静息态MFs 值为3.13 ± 0.76，两种电极下的MFs 差异无统计学意义（t=1.17，P=0.26＞0.05）。胫前肌收缩时，单极针电极下MFs绝对值（0.35 ± 0.25）稍大于表面电极MFs绝对值（0.29 ± 0.17），但两种采集方法差异无统计学意义（t=0.88，P=0.39＞0.05）。单极针电极下，胫前肌收缩时疼痛VAS 评分与AEMG、MF、LZ 复杂度无相关关系（r=0.003/0.044/-0.271，P＞0.05），提示针电极在肌肉内造成的疼痛不影响各项指标的采集。

2.5 非线性指标LZ复杂度分析

表面电极与针电极下，胫前肌最大随意收缩时，即最大肌力和耐力测试时左、右侧LZ 复杂度相关（P＜0.05）。静息状态下，两种电极胫前肌LZ复杂度无相关关系（P＞0.05）（表4）。

表4 两种采集方法检测胫前肌肌电不同状态下LZ复杂度相关分析

采用表面电极采集胫前肌EMG 信号时，静息状态、最大肌力与耐力测试时三组LZ复杂度符合正态分布（P=0.352，方差齐），采用one-way ANOVA 分析发现三组间差异无统计学意义（F=0.358，P=0.70＞0.05）。采用单极针电极时，三组数据不符合正态分布（P=0.012＜0.05，方差不齐），组间比较采用Kruskal-Wallis H 检验，LZ 复杂度三组间有显著性差异（H=32.714，P＜0.001）（表5）；多重比较采用Tamhane's T2校正，发现针电极下，胫前肌静息状态LZ 复杂度低于其收缩时（P＜0.001），且静息状态针电极LZ 复杂度低于表面电极时（t=9.365，P＜0.001）；最大肌力和耐力测试时两种电极的LZ复杂度差异无统计学意义（P=0.671＞0.05）。

表5 两种采集方法检测胫前肌肌电LZ复杂度比较

3 讨论

sEMG 与针电极肌电图（needle EMG）均是将肌纤维收缩时产生的微弱电位差放大、记录、转化成数字信号进行分析，以反映神经肌肉功能状况。其中sEMG可反映运动、静止状态时肌肉生理、生化等方面的变化，能综合地反映局部肌肉活动状态和功能状态。由表面电极记录到的诱发电位的起始潜伏期代表最快运动纤维的传导时间，而波幅提供的是支配肌肉的轴突数量的信息[3]。表面电极可记录到电极下所有放电的运动单位的电位，但记录的是所测肌肉群肌电反应的总和；而针电极通常只能记录到肌肉的一小部分电活动（采集针尖通常仅有1～5 mm），但可选择性记录单一靶肌肉的动作电位，且在记录肌肉的电位时通常不需要使用叠加技术[4]。因此，结合两种电极的优势与不足，本研究采用sEMG 系统比较表面电极和单极针电极在采集下肢单块肌肉——胫前肌最大随意收缩时电活动变化的相关性，观察单极针电极采集单一靶肌肉电活动的有效性和可靠性。结果发现，两种采集方法无论是线性指标AEMG、RMS、MF、MPF，还是非线性指标LZ复杂度均呈显著相关。说明采用sEMG 系统结合单极针电极，能够较可靠、灵敏地检测出胫前肌的肌电活动，是一种可选择性评估单一靶肌肉活动水平和功能状态的有效工具。

时域分析是将肌电信号看作时间的函数，通过计算信号均值等指标反映信号振幅在时间维度方面的变化情况，常用指标包括AEMG、RMS。AEMG 主要用于描述单位时间内EMG信号振幅的变化特征，其变化主要反映肌肉活动时运动单位激活的数量、参与活动的运动单位类型及其同步化程度，与不同肌肉负荷强度条件下的中枢控制功能有关[5]。RMS是放电有效值，其大小决定于肌电幅值变化，一般认为与运动单位募集和兴奋节律的同步化有关，但不能反映肌电信号的细节变化[6]。本研究比较表面电极和单极针电极采集健康受试者胫前肌肌电活动变化的相关性，结果发现，两种采集方法对双侧胫前肌AEMG、RMS呈显著相关，提示单极针电极能灵敏、可靠地检测出胫前肌运动电位募集和兴奋节律同步化，从时域分析证实了这种方法可实时反映胫前肌活动水平。

频谱分析是利用所包含的运动单位波形解释运动单位活动的变化，频率特点的变化往往可以确定肌肉疲劳和神经肌肉功能变化。研究表明，频谱变量比振幅变量更具有可重复性；由于傅立叶转换要求肌电信号很稳定，所以频谱分析广泛应用于肌肉等长收缩的疲劳研究中。有关疲劳（或耐力测试）的指标主要包括MF、MPF 及其变化斜率。MF 反映频谱特征变化优于MPF，而MPF 反映肌肉活动状态和功能状态更敏感[7]。本研究发现表面电极和针电极在双侧胫前肌肌电活动MF、MPF 方面显著相关，且两种采集方式下MF、MPF未见明显差异，提示单极针电极能灵敏、可靠地检测出胫前肌疲劳和功能状态变化，从频谱分析角度再次证实这是一种可作为评价胫前肌功能的方法。

本研究发现，相对表面电极，单极针电极记录双侧胫前肌频域指标MF、MPF数值明显升高。出现上述结果的原因可能是：针电极直接插入肌肉，可以更直接地记录胫前肌收缩过程中肌纤维的放电频率；也可能是由于针电极引起的疼痛较为明显，其对肌纤维或神经末梢的机械刺激引起数量更多、面积更大的运动纤维参与收缩。研究结果同时表明，两种电极下胫前肌收缩时MFs 差异无统计学意义，说明针电极并不影响肌纤维兴奋的传导速度和最大主动收缩力量，从而频谱指标斜率不会出现相应线性改变。也就是说，单极针电极相较表面电极，可以更直接、更有效地反映肌肉功能状况。考虑到受试者在针电极下肌肉收缩时有中度疼痛，后期研究可改用线电极克服由针电极引起的疼痛及可能引起的频域指标方面的差别。

在肌肉等长静力收缩研究中，MFs 是评价肌肉疲劳最合适的指标。MFs 不易受干扰的影响，对与肌肉疲劳相关的生理变化（特别是动作电位传导速度的降低）较为敏感[8]。本研究中，静息状态下针电极MFs 均为0，而表面电极MFs绝对值在0～6.5之间，提示采用单极针电极时肌电信号干扰小。但两种电极的MFs差异无统计学意义，即在静息状态下两种采集方法均可靠。胫前肌最大随意等长收缩时针电极下MFs绝对值稍大于表面电极，说明肌肉在单极针电极下比表面电极更易疲劳。此外，本研究发现单极针电极下，胫前肌收缩时疼痛VAS 评分与AEMG、MF、LZ 复杂度无明显相关性，提示单极针电极在肌肉内造成的疼痛不影响各项指标的采集。

目前针对表面肌电分析，主要集中于线性分析方法，但频域和时域参数的分析只能反映多个运动单位的电变化，对数据的依赖性太强，对干扰和噪声太敏感，存在信号不准问题。本研究加入了非线性分析方法，所需数据量少且具有一定抗干扰能力，可以更准确地反映肌肉功能活动情况。LZ复杂度是一种表征时间序列结构特征的方法[9]，最先由Lempel 和Ziv 提出，主要用于非平稳性肌电信号的特征分析。LZ复杂度主要是从神经调控的角度分析完成某个动作中枢调控机制的复杂性，可一定程度反映肢体活动时局部肌肉的活动状态。本实验发现，胫前肌收缩时，表面电极和针电极的LZ复杂度显著相关，说明单极针电极采集方法在分析LZ 复杂度上也是可靠、灵敏的。针电极下，胫前肌在静息状态下LZ复杂度明显低于肌肉收缩时，且明显低于表面电极，提示可能是预期的针刺疼痛引发大脑不同区域反应，如疼痛加工脑区（丘脑、岛叶）去激活以回避疼痛刺激，而究竟是哪些脑区参与了这个活动，需在后续的研究中进一步探讨。当然，也可能是改良针电极在分析中枢神经对肌肉活动的调控能力上更为合适：本研究结果与预期相符，即中枢神经系统对处于静息状态的肌肉的调控作用应是一定程度小于其主动收缩时。如果以上设想成立，说明针电极所采集参数比表面电极更适用于非线性分析。

综上所述，本研究采用sEMG分析系统比较了表面电极和单极针电极在检测胫前肌电活动方面的相关性和差异性，发现两种采集方法在线性指标AEMG、RMS、MF、MPF 和非线性指标LZ 复杂度方面均呈显著相关，证明了应用单极针电极能够可靠、灵敏地记录单一靶肌肉电信号的科学性和可行性，弥补了表面电极只能记录电极下肌群电活动总和的缺陷，具有良好的临床应用价值。同时，本研究对非线性指标LZ复杂度在不同肌肉状态的分布特征作了进一步分析，探讨了肌肉收缩与神经调控之间存在重要的内在联系，为非线性分析方法在肌电活动中的应用提供了依据。然而，由于本研究样本量相对较小，研究结果可能存在偏差。接下来的研究可进一步增大样本量，加入性别因素进行考虑，并联合肌肉成像技术从电活动与形态学的角度全面、深入地分析肌肉形态对肌电信号的影响。同时，如何采用表面肌电系统分析深层肌肉的运动功能情况，也是下一步研究的重点方向。