表面肌電應用的新進展

摘 要:
表面肌電(Surface electromyography)是評估神經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展背景及機理、在體育科研領域和臨床醫學領域應用的進展。在體育科研領域，表面肌電主要對運動技術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。在臨床醫學領域，表面肌電主要對患者患側肌肉表面肌電特征進行研究，可作為運動康復治療時患側肌肉的監測設備、新型訓練控制系統的重要組件。
1． 表面肌電的發展背景及機理
神經和肌肉等組織在受到刺激后，能迅速產生可傳導的動作定位，傳導過程中發生相應的電位變化，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系，因此人類普遍認為這是肌電認識的開端。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家。1922 年，Gasser 和 Erlange 利用陰極射線示波器代替傳統檢流器成功測得肌電圖，因此他們在 1994 年被授予諾貝爾獎。此后陸續出現了同心型針電極、誘導性針電極、多導電極。20 世紀末，肌電信號分析技術在計算機技術日趨完善的條件下變得簡單易行，因此肌電的應用更為頻繁。
電極引導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、無創性等特點，在康復醫學、運動醫學、骨科、神經科學等臨床和研究領域等得到了廣泛應用，已逐漸成為分析和研究神經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調性;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 MPF 斜率和 MF 斜率，這些指標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律，能夠實時、準確地反映肌肉活動狀態和功能狀態 。
2 表面肌電應用進展
2.1 表面肌電應用在體育科研領域的進展
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為標志，而需要經過一定的計算并進行幅值標準化和時間歸一化處理。郭峰等人通過上述方法對優秀女子拳擊運動員后手直拳技術動作上肢肌的表面肌電進行分析時發現:在后手直拳擊打動作中，上肢拮抗肌發揮著非常重要的作用，因此提出了在平時訓練中應加強拮抗肌訓練的建議 。激活狀態的標準:肌肉的均方根振幅(ＲMS)達到此階段 ＲMS 幅值的 2 個標準差，且持續時間在 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動作分析時發現:以均方根振幅值(ＲMS)指標衍生出的另一指標—標準差與平均數的比值，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力階段的表面肌電進行研究時發現:腹直肌、腹外斜肌、豎脊肌、股直肌及三角肌前部在中樞神經系統的支配下表現出明顯的“預激活”現象，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運動原理，即“大關節的活動先于小關節活動” 。肌肉協調性的保持與肌肉激活的順序有著重要的聯系，即肌肉激活的順序越合理肌肉之間的協調性越高。鄒煜等人對 20 名雙手拋接球運動經驗的體育專業男生進行雙手拋接球動作表面肌電測試時發現:隨著實驗次數的逐漸增加，被試者雙手各肌肉激活時間和順序逐漸顯現出規律性，呈現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，技術動作的改變都可以導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動作的表面肌電測試，同時結合運動鏈模型結合訓練學領域的鞭打動作對人體運動鏈進行系統的研究發現:上肢鏈動作測試與半身鏈動作測試的結果一致: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。并得出以下結論:上肢鏈貢獻率比值與運動環節數量呈反比關系;而下肢鏈恰好相反，當運動環節的數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
肌肉疲勞常出現在運動員的高強度運動之后，具體表現為肌力減小，運動強度也隨之減弱，嚴重時會引發運動損傷，即肌肉和關節的勞損。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］ 。當肌肉疲勞時，表面肌電的潛伏期和積分肌電值就會相應的延長，波幅降低，MPF 和 MF將會下降 。肌肉疲勞和肌力所呈現出的是不穩定的非線性信號，因此使用傳統的 sEMG 時頻分析法受到了一定的約束。也有研究已經表明非線性分析指標對肌肉疲勞的評價也具有良好的敏感性 。動態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用于非平穩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，他將這兩種技術的優點集于一體:在時頻域上都能較好地分析能力。盡管這種技術在腦電圖和心電圖領域都已經進行了探索，但這種技術尚未在 sEMG 領域進行可行性研究。分析肌肉動態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，只有經過標準化處理的肌電信號能夠相對準確的得到肌肉激活時間。肌肉激活時間及持續時間決定肌肉間的激活順序，即時序。與此同時，就某一技術動作而言，肌肉的激活時間和強度決定肌肉貢獻率大小;此外，隨著技術動作的改變即肌肉貢獻率會隨運動環節數量的變化呈現出不同的肌肉貢獻率比。上述指標的變化也是影響肌肉協調性的保持的重要因素。
2.2 表面肌電應用在臨床醫學領域的進展
2.2.1 提取患側肌肉的表面肌電特征
腦卒中偏癱是典型神經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和肌肉兩者共同完成的，測定神經傳導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，由此為臨床康復治療的研究與開展提供合理依據。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傳導速度測定和表面肌電圖檢查，并對結果進行比較發現:經過治療以后，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，而其協同收縮率較治療前有明顯降低的趨勢，上述差異均有統計學意義(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現:單側慢性腰痛患者的疼痛側臀中肌與臀大肌的肌電平均振幅值均低于非疼痛側，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，非疼痛側和疼痛側豎脊肌腰段、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)。由此得出結論:“51—60 歲是慢性腰痛的高發年齡，此后隨著年齡增加，腰痛發病有趨緩現象。”面肌痙攣在肌電檢測時也會呈現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，采集患者放松狀態下及做最大自主收縮閉眼動作時健、患側眼輪匝肌表面肌電值，發現在放松狀態下，面肌痙攣患者健、患側眼輪匝肌 AEMG 值有顯著性差異(P ＜ 0． 05)，健、患側MF、MPF 值比較無顯著差異;在收縮狀態下，健、患側 MF、MPF 值比較有顯著性差異(P ＜ 0． 001)，健、患側 AEMG 值比較有顯著差異(P ＜ 0．05) 。
2.2.2 康復醫療中的使用實例
2.2.2.1 作為康復治療的監測設備
將表面肌電圖(surface electromyography，sEMG)引入生物反饋系統，將表面肌電信號轉換后并放大，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)。它與傳統的神經肌肉電刺激相比，不僅兼有神經肌肉電刺激的感覺傳導輸入，而且將肌肉的控制 (肌肉收縮，舒張) ，關節活動時的本體感覺，復合感覺，與相應的動作結合起來，有利于患者對肢體控制再學習，與傳統的運動療法相比，能將患者的抽象的感覺轉變成實時的數據，患者能實時看到自身的狀態和努力成果，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)結合常規訓練康復訓練;對照組則進行常規康復訓練，經過四周的治療，發現雖然兩組患者的各項評估(踝背屈主動關節活動度(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，其余各項評估結果明顯優于對照組。由此得出常規康復訓練與 EMGBF 反饋的結合訓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下肢行動能力和功能的恢復。
2.2.2.2 新型訓練控制系統的開發
常見的表面肌電所記錄下的以時間為序列的非穩定信號蘊含大量的肌肉活動和運動狀態信息，若用它來預測患者的運動意圖和肌肉功能狀態，并轉換成計算機系統的輸入指令，則可建立一種非常規的全新人機信息交流與控制技術。近年來，常見的新型訓練控制系統有肌電假肢系統、康復機器人等。劉萬陽等人自主開發了一種由虛擬現實的肌電和計算機接口組成的訓練控制系統，這種訓練控制系統可實現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實進行控制，它無需與除無線表面肌電設備外的其他交互設備與虛擬現實實現動作的交互，后續可用于對運動功能受損患者進行康復訓練。綜上，表面肌電在臨床醫療上主要應用于腦卒中、頸腰椎病等疾病的神經肌肉功能評定以及作為檢測工具為患者提供實時反饋，從而加快疾病康復的進程。此外，在康復治療前表面肌電可用于分析患者神經肌肉功能的受損情況及健、患兩側的差異狀況;在康復訓練期間被記錄的數據還可用于觀察受試者患病側神經肌肉功能的恢復情況，從而為康復治療規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現: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確結論，因為相鄰肌肉的起始信號可能對此時的信號產生了一定的干擾，如股四頭肌的血管肌肉。sEMG 的建模等處理技術是影響結果的主觀因素。Vigotsky AD 等人指出 sEMG 研究旨在得出肌力的產生、肌肉激活、肌力產生機制的結論。僅基于 sEMG 振幅得出的上述結論可能存在缺陷，因此要得到更精確的結論需要更為先進的 SEMG 建模等處理技術。
3.總結
3.1 表面肌電在體育科學研究領域的推廣與應用使得體育研究手段更加豐富。根據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對研究結論是否具有較高的敏感性。同時，各項肌電指標的敏感性需要充足的理論依據作為支撐，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、對表面肌電技術的發展起著至關重要的作用。表面肌電在體育科學研究領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化的過程。
3.2 將表面肌電應用于臨床醫療和開發醫療器械具有重大的意義:對神經肌肉狀況的一系列表面肌電圖評估可以為臨床康復醫療提供科學可靠的理論依據;它不僅將醫生從繁瑣的訓練任務中解放，從而減少人員消耗。使得醫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，社會與經濟價值巨大。

來源：體育世界(學術版)
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總結

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