表面肌電應(yīng)用的新進展

摘 要:
表面肌電(Surface electromyography)是評估神經(jīng)肌肉功能的一種重要的研究手段。本文介紹了表面肌電的發(fā)展背景及機理、在體育科研領(lǐng)域和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的進展。在體育科研領(lǐng)域，表面肌電主要對運動技術(shù)動作的肌肉激活時間與順序、肌肉貢獻率和肌肉疲勞程度進行評估。在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，表面肌電主要對患者患側(cè)肌肉表面肌電特征進行研究，可作為運動康復(fù)治療時患側(cè)肌肉的監(jiān)測設(shè)備、新型訓(xùn)練控制系統(tǒng)的重要組件。
1． 表面肌電的發(fā)展背景及機理
神經(jīng)和肌肉等組織在受到刺激后，能迅速產(chǎn)生可傳導(dǎo)的動作定位，傳導(dǎo)過程中發(fā)生相應(yīng)的電位變化，這種電位變化被稱作肌電。1791 年，伽伐尼(Galvani)通過對蛙類肌肉收縮實驗并證實肌肉收縮與肌電有著不可分離的關(guān)系，因此人類普遍認(rèn)為這是肌電認(rèn)識的開端。1912 年，Piper 通過對人體進行肌電實驗，成為史上第一位在人身上記錄下肌電圖的科學(xué)家。1922 年，Gasser 和 Erlange 利用陰極射線示波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)檢流器成功測得肌電圖，因此他們在 1994 年被授予諾貝爾獎。此后陸續(xù)出現(xiàn)了同心型針電極、誘導(dǎo)性針電極、多導(dǎo)電極。20 世紀(jì)末，肌電信號分析技術(shù)在計算機技術(shù)日趨完善的條件下變得簡單易行，因此肌電的應(yīng)用更為頻繁。
電極引導(dǎo)肌電的測試方法可分為兩種，針電極(FW－EMG)和表面電極(sEMG)。因 sEMG 有客觀性、實用性、無創(chuàng)性等特點，在康復(fù)醫(yī)學(xué)、運動醫(yī)學(xué)、骨科、神經(jīng)科學(xué)等臨床和研究領(lǐng)域等得到了廣泛應(yīng)用，已逐漸成為分析和研究神經(jīng)肌肉功能最主要的方法之一。其原理是通過采集大腦運動皮層控制之下的外周運動單位電位的信號，常用的分析方法有時域分析和頻域分析:時域分析主要包括均方根振幅(ＲMS)、積分肌電(IEMG)、平均振幅(MA)，這些指標(biāo)常被用來評價肌肉的肌肉激活模式、肌力水平、肌肉貢獻率和多肌群協(xié)調(diào)性;頻域分析主要包括平均功率頻率(MPF)和中位頻率(MF)及其衍生指標(biāo) MPF 斜率和 MF 斜率，這些指標(biāo)常用來評價肌肉疲勞程度。因此表面肌電可以反映肌肉活動和中樞控制特征的變化規(guī)律，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地反映肌肉活動狀態(tài)和功能狀態(tài) 。
2 表面肌電應(yīng)用進展
2.1 表面肌電應(yīng)用在體育科研領(lǐng)域的進展
2.1.1 肌肉激活時間與順序
激活時間并非僅以肌電信號的出現(xiàn)為標(biāo)志，而需要經(jīng)過一定的計算并進行幅值標(biāo)準(zhǔn)化和時間歸一化處理。郭峰等人通過上述方法對優(yōu)秀女子拳擊運動員后手直拳技術(shù)動作上肢肌的表面肌電進行分析時發(fā)現(xiàn):在后手直拳擊打動作中，上肢拮抗肌發(fā)揮著非常重要的作用，因此提出了在平時訓(xùn)練中應(yīng)加強拮抗肌訓(xùn)練的建議 。激活狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn):肌肉的均方根振幅(ＲMS)達到此階段 ＲMS 幅值的 2 個標(biāo)準(zhǔn)差，且持續(xù)時間在 50ms 以上。張秀麗等人利用表面肌電對國家隊射擊運動員的技術(shù)動作分析時發(fā)現(xiàn):以均方根振幅值(ＲMS)指標(biāo)衍生出的另一指標(biāo)—標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值，對運動員進行多支箭的動作進行一致性評價較為合理 。莊維友在對原地擲實心球最后發(fā)力階段的表面肌電進行研究時發(fā)現(xiàn):腹直肌、腹外斜肌、豎脊肌、股直肌及三角肌前部在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的支配下表現(xiàn)出明顯的“預(yù)激活”現(xiàn)象，表明平行式和前后式肌肉整體用力明顯，肌肉用力順序不是“自下而上”的。上肢肌群中三角肌前部最
先用力，肱橈肌最后用力，從而驗證了鞭打動作的生物力學(xué)運動原理，即“大關(guān)節(jié)的活動先于小關(guān)節(jié)活動” 。肌肉協(xié)調(diào)性的保持與肌肉激活的順序有著重要的聯(lián)系，即肌肉激活的順序越合理肌肉之間的協(xié)調(diào)性越高。鄒煜等人對 20 名雙手拋接球運動經(jīng)驗的體育專業(yè)男生進行雙手拋接球動作表面肌電測試時發(fā)現(xiàn):隨著實驗次數(shù)的逐漸增加，被試者雙手各肌肉激活時間和順序逐漸顯現(xiàn)出規(guī)律性，呈現(xiàn)出前低后高的特定臺階狀變化 。
2.1. 2 肌肉貢獻率
肌肉貢獻率是指完成動作時某塊肌肉的積分肌電值(IEMG)或平均肌電值(AEMG)與所測參完成該動作所有肌肉的 IEMG 或 AEMG 總和的百分比值。可用以判斷是否肌肉發(fā)力和肌肉做功程度的大小，并以此來對所測肌肉進行貢獻等級的劃分及主次肌肉的確定 。
肌肉貢獻率并非一成不變的，技術(shù)動作的改變都可以導(dǎo)致肌肉貢獻率的變化。牛永剛對北京市柔道隊和排球隊的 13 名運動員進行特定技術(shù)動作的表面肌電測試，同時結(jié)合運動鏈模型結(jié)合訓(xùn)練學(xué)領(lǐng)域的鞭打動作對人體運動鏈進行系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn):上肢鏈動作測試與半身鏈動作測試的結(jié)果一致:上肢鏈貢獻率比 ＞ 核心鏈貢獻率比 ＞ 下肢鏈貢獻率比;全身鏈動作測試的結(jié)果:上肢鏈貢獻率比 ＞ 下肢鏈貢獻率比 ＞ 核心鏈貢獻率比。并得出以下結(jié)論:上肢鏈貢獻率比值與運動環(huán)節(jié)數(shù)量呈反比關(guān)系;而下肢鏈恰好相反，當(dāng)運動環(huán)節(jié)的數(shù)量增加至全身鏈時貢獻率大幅提升;而核心鏈貢獻率比例呈拋物線狀，在半身鏈動作測試時最大，在全
身鏈動作測試時最小。

2.1.3 肌肉疲勞程度
肌肉疲勞常出現(xiàn)在運動員的高強度運動之后，具體表現(xiàn)為肌力減小，運動強度也隨之減弱，嚴(yán)重時會引發(fā)運動損傷，即肌肉和關(guān)節(jié)的勞損。在評價肌肉疲勞的研究中多以時域和頻域分析為主。時域分析包括積分肌電(IEMG) ［8］ 、均方根值(ＲMS) ［9］ 、平均振幅(MA) ［10］ ;頻域分析包括中位頻率(MF) ［11］ 和平均功率頻率(MPF) ［12］ 。當(dāng)肌肉疲勞時，表面肌電的潛伏期和積分肌電值就會相應(yīng)的延長，波幅降低，MPF 和 MF將會下降 。肌肉疲勞和肌力所呈現(xiàn)出的是不穩(wěn)定的非線性信號，因此使用傳統(tǒng)的 sEMG 時頻分析法受到了一定的約束。也有研究已經(jīng)表明非線性分析指標(biāo)對肌肉疲勞的評價也具有良好的敏感性 。動態(tài)收縮條件下肌肉疲勞的時頻分析也逐步地被探索并在肌電分析中開始被應(yīng)用:一種具有時間和頻率移不變性的肌電分析方法—Co-hen 類時頻分析，這種特性使它成為最方便應(yīng)用于非平穩(wěn)肌電信號分析的方法之一。小波變換 (Wavelet transform，WT) 是由短時傅里葉變換發(fā)展而來，它具有可變的時頻分析窗口并可同時提供時域、頻域兩方面信息，它還可將原始肌電信號按照對應(yīng)的時間分解到不同頻率帶上或者對肌電信號進行特定精度的表達。S 變換(S － transform)是 Stock-well，Mansinha 和 Lowe 引入的，它是 STFT 和 WT 這兩種處理手段的混合技術(shù)，他將這兩種技術(shù)的優(yōu)點集于一體:在時頻域上都能較好地分析能力。盡管這種技術(shù)在腦電圖和心電圖領(lǐng)域都已經(jīng)進行了探索，但這種技術(shù)尚未在 sEMG 領(lǐng)域進行可行性研究。分析肌肉動態(tài)收縮時肌肉疲勞的方法尚未達到成熟的階段，因此深入研究的空間很大。綜上，只有經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的肌電信號能夠相對準(zhǔn)確的得到肌肉激活時間。肌肉激活時間及持續(xù)時間決定肌肉間的激活順序，即時序。與此同時，就某一技術(shù)動作而言，肌肉的激活時間和強度決定肌肉貢獻率大小;此外，隨著技術(shù)動作的改變即肌肉貢獻率會隨運動環(huán)節(jié)數(shù)量的變化呈現(xiàn)出不同的肌肉貢獻率比。上述指標(biāo)的變化也是影響肌肉協(xié)調(diào)性的保持的重要因素。
2.2 表面肌電應(yīng)用在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進展
2.2.1 提取患側(cè)肌肉的表面肌電特征
腦卒中偏癱是典型神經(jīng)功能缺損而引起肌肉功能障礙的疾病之一。肌纖維的收縮是神經(jīng)和肌肉兩者共同完成的，測定神經(jīng)傳導(dǎo)速度和表面肌電圖檢查能在一定程度上反映某些疾病的神經(jīng)損傷情況及肌肉功能如肌張力、肌力的水平等，由此為臨床康復(fù)治療的研究與開展提供合理依據(jù)。闕玉梅等人通過對 96 例老年腦卒中偏癱病人和 96 例健康老年人進行神經(jīng)傳導(dǎo)速度測定和表面肌電圖檢查，并對結(jié)果進行比較發(fā)現(xiàn):經(jīng)過治療以后，觀察組病人的脛骨前肌和腓腸肌在踝背伸時，其積分肌電值、踝跖屈積分肌電值均較治療前有明顯升高的趨勢，而其協(xié)同收縮率較治療前有明顯降低的趨勢，上述差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P ＜ 0．05)。在對慢性疼痛病的診斷治療中，患者的主觀感受只作為臨床工作參考的一部分，表面肌電水平能更為客觀、全面地反映患者的肌肉功能，且慢性疼痛病存在其特有的表面肌電圖特征。劉斯文等人利用表面肌電圖對 401 例慢性腰痛患者回顧性分析時發(fā)現(xiàn):單側(cè)慢性腰痛患者的疼痛側(cè)臀中肌與臀大肌的肌電平均振幅值均低于非疼痛側(cè)，差異有顯著性意義(P ＜0． 05 或 P ＜0． 01)。而慢性腰痛患者在足背屈、下肢后伸、腰背向后伸過程中，非疼痛側(cè)和疼痛側(cè)豎脊肌腰段、多裂肌、股二頭肌、脛骨前肌與腓骨肌的肌電平均振幅值無顯著差異(P ＞ 0． 05)。由此得出結(jié)論:“51—60 歲是慢性腰痛的高發(fā)年齡，此后隨著年齡增加，腰痛發(fā)病有趨緩現(xiàn)象。”面肌痙攣在肌電檢測時也會呈現(xiàn)出特有的表面肌電圖特征，這種肌電特征可為面部肌肉痙攣的臨床診斷與評估提供有效參考。廖貴陽等人選取面肌痙攣門診患者 60 例，采集患者放松狀態(tài)下及做最大自主收縮閉眼動作時健、患側(cè)眼輪匝肌表面肌電值，發(fā)現(xiàn)在放松狀態(tài)下，面肌痙攣患者健、患側(cè)眼輪匝肌 AEMG 值有顯著性差異(P ＜ 0． 05)，健、患側(cè)MF、MPF 值比較無顯著差異;在收縮狀態(tài)下，健、患側(cè) MF、MPF 值比較有顯著性差異(P ＜ 0． 001)，健、患側(cè) AEMG 值比較有顯著差異(P ＜ 0．05) 。
2.2.2 康復(fù)醫(yī)療中的使用實例
2.2.2.1 作為康復(fù)治療的監(jiān)測設(shè)備
將表面肌電圖(surface electromyography，sEMG)引入生物反饋系統(tǒng)，將表面肌電信號轉(zhuǎn)換后并放大，用視覺或聽覺方式反饋給受試對象，促使其自主訓(xùn)練，從而達到強化運動效果的目的，這個過程被稱為表面肌電生物反饋(surface electromygraphic biofeedback，sEMGBF)。它與傳統(tǒng)的神經(jīng)肌肉電刺激相比，不僅兼有神經(jīng)肌肉電刺激的感覺傳導(dǎo)輸入，而且將肌肉的控制 (肌肉收縮，舒張) ，關(guān)節(jié)活動時的本體感覺，復(fù)合感覺，與相應(yīng)的動作結(jié)合起來，有利于患者對肢體控制再學(xué)習(xí)，與傳統(tǒng)的運動療法相比，能將患者的抽象的感覺轉(zhuǎn)變成實時的數(shù)據(jù)，患者能實時看到自身的狀態(tài)和努力成果，因而尤其是在肌力的強化，肌張力控制方面效果也會更好。劉綺等人將 35 例首次發(fā)生腦卒中偏癱的患者分成實驗組和對照組。實驗組采用肌電生物反饋(EMGBF)結(jié)合常規(guī)訓(xùn)練康復(fù)訓(xùn)練;對照組則進行常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練，經(jīng)過四周的治療，發(fā)現(xiàn)雖然兩組患者的各項評估(踝背屈主動關(guān)節(jié)活動度(AＲOM)、改良 Ashworth 量表、脛前肌肌力、Berg 平衡量表(BBS)、簡化 Fugl － Meyer 運動量表下肢功能評分(FMA － L)和 10m 步行速度測定)結(jié)果均較四周前有明顯改善，但實驗組個別患者除肌肉張力變化差異無顯著性意義外，其余各項評估結(jié)果明顯優(yōu)于對照組。由此得出常規(guī)康復(fù)訓(xùn)練與 EMGBF 反饋的結(jié)合訓(xùn)練方法可以有效改善腦卒中偏癱患者腳踝背屈，同時也促進了癱瘓側(cè)下肢行動能力和功能的恢復(fù)。
2.2.2.2 新型訓(xùn)練控制系統(tǒng)的開發(fā)
常見的表面肌電所記錄下的以時間為序列的非穩(wěn)定信號蘊含大量的肌肉活動和運動狀態(tài)信息，若用它來預(yù)測患者的運動意圖和肌肉功能狀態(tài)，并轉(zhuǎn)換成計算機系統(tǒng)的輸入指令，則可建立一種非常規(guī)的全新人機信息交流與控制技術(shù)。近年來，常見的新型訓(xùn)練控制系統(tǒng)有肌電假肢系統(tǒng)、康復(fù)機器人等。劉萬陽等人自主開發(fā)了一種由虛擬現(xiàn)實的肌電和計算機接口組成的訓(xùn)練控制系統(tǒng)，這種訓(xùn)練控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對表面肌電信號的實時采集、特征提取、實時識別動作并對虛擬現(xiàn)實進行控制，它無需與除無線表面肌電設(shè)備外的其他交互設(shè)備與虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)動作的交互，后續(xù)可用于對運動功能受損患者進行康復(fù)訓(xùn)練。綜上，表面肌電在臨床醫(yī)療上主要應(yīng)用于腦卒中、頸腰椎病等疾病的神經(jīng)肌肉功能評定以及作為檢測工具為患者提供實時反饋，從而加快疾病康復(fù)的進程。此外，在康復(fù)治療前表面肌電可用于分析患者神經(jīng)肌肉功能的受損情況及健、患兩側(cè)的差異狀況;在康復(fù)訓(xùn)練期間被記錄的數(shù)據(jù)還可用于觀察受試者患病側(cè)神經(jīng)肌肉功能的恢復(fù)情況，從而為康復(fù)治療規(guī)律的研究提供了便利。
2.3 表面肌電的不足之處
電極大小和位置、表皮清潔度、肌肉運動方式等客觀因素都可能干擾 sEMG 振幅和頻率并造成實驗結(jié)論的偏差。von Laberg C 等人使用針電極(FW － EMG)和表面電極(sEMG)分別對運動員跆拳道踢腿動作的股直肌近遠端激活順序進行分析時發(fā)現(xiàn):高速運動的條件下，僅使用sEMG 不足以得出股直肌近遠端激活順序的準(zhǔn)確結(jié)論，因為相鄰肌肉的起始信號可能對此時的信號產(chǎn)生了一定的干擾，如股四頭肌的血管肌肉。sEMG 的建模等處理技術(shù)是影響結(jié)果的主觀因素。Vigotsky AD 等人指出 sEMG 研究旨在得出肌力的產(chǎn)生、肌肉激活、肌力產(chǎn)生機制的結(jié)論。僅基于 sEMG 振幅得出的上述結(jié)論可能存在缺陷，因此要得到更精確的結(jié)論需要更為先進的 SEMG 建模等處理技術(shù)。
3.總結(jié)
3.1 表面肌電在體育科學(xué)研究領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用使得體育研究手段更加豐富。根據(jù)各運動項目中肌肉收縮特點的不同，表面肌電的在各項研究中所起的作用不盡相同即要考慮各項肌電指標(biāo)對研究結(jié)論是否具有較高的敏感性。同時，各項肌電指標(biāo)的敏感性需要充足的理論依據(jù)作為支撐，因此合理的肌電信號建模與分析方法對不同運動項目表面肌電研究的開展、對表面肌電技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。表面肌電在體育科學(xué)研究領(lǐng)域并不會受限于運動項目的類型。因此，良好的肌電研究方法可以應(yīng)用于具有共同特點的某些運動項目，這也是一個長期需要思考和不斷優(yōu)化的過程。
3.2 將表面肌電應(yīng)用于臨床醫(yī)療和開發(fā)醫(yī)療器械具有重大的意義:對神經(jīng)肌肉狀況的一系列表面肌電圖評估可以為臨床康復(fù)醫(yī)療提供科學(xué)可靠的理論依據(jù);它不僅將醫(yī)生從繁瑣的訓(xùn)練任務(wù)中解放，從而減少人員消耗。使得醫(yī)療資源短缺和大量市場需求所形成的矛盾可以得到有效解決，社會與經(jīng)濟價值巨大。

來源：體育世界(學(xué)術(shù)版)
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總結(jié)

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