解析表面肌電圖如何應用在肌肉能評估

　　(一)sEMG

　　表面肌電圖(surface electromyography， sEMG)，又稱動態(tài)肌電圖(dynamic electromyography ,DEMG)，是從肌肉表面通過電引導、記錄下來的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時的生物電信號。它與肌肉的活動狀態(tài)和能狀態(tài)之間存在著不同程度的關(guān)聯(lián)性，因而能在一定程度上反映神經(jīng)肌肉的活動。肌肉運動中產(chǎn)生的生物電通過兩個測量電(相對于參考電)產(chǎn)生電位差，差分放大器檢測到該信號后，經(jīng)過放大、記錄后所得到的圖形，現(xiàn)代的sEMG都是把放大的信號再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)過通訊系統(tǒng)傳輸給微機。微機中的分析軟件對所獲得的數(shù)據(jù)進行分析處理，從而完成測試評估等科研或臨床診斷務。sEMG是一種簡單、無創(chuàng)、容易被受試者接受的肌電活動，可用于測試較大范圍內(nèi)的E M G 信號，并有助于反映運動過程中肌肉生理、生化等方面的改變;不僅可在靜止狀態(tài)測定肌肉活動，而且可在各種運動過程中持續(xù)觀察肌肉活動的變化;不僅是一種對運動能有意義的診斷評價方法，而且也是一種較好的生物反饋治療術(shù)[1]。因而在臨床學的神經(jīng)肌肉疾病診斷、高等院校人機效學領(lǐng)域的肌肉作的效學分析，體育系統(tǒng)(體科所)疲勞判定、運動術(shù)合理性分析、肌纖維類型和無氧閾值的無損傷性預測，院康復領(lǐng)域神經(jīng)肌肉疾病診斷，肌肉能評價等高等方面均有重要的實用價值[2]。

　　(二)sEMG常用分析標

　　1.頻域分析

　　分析方法是對sEMG信號進行快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)，獲得sEMG信號的頻譜或率譜，反映sEMG信號在不同頻率分量的變化，較好地在頻率維度上反映sEMG的變化[3]。目前，在頻域分析方面常用以下兩種標進行分析，即平均率頻率(mean power Frequency，MPF)和中位頻率(Median Frequency ,MF)。M F斜率已經(jīng)被用作一個在維持等長收縮過程中的疲勞度數(shù)。在肌肉疲勞過程中可出現(xiàn)以下生理現(xiàn)象：如運動單位的同步性、慢/ 快肌纖維的募集順序改變、代謝方面的改變(包括能量產(chǎn)生形式的改變、缺氧、H + 濃度增加、細胞膜傳導性降低)，E M G信號的頻率趨向于低頻率的轉(zhuǎn)變。因此， 應用E M G 信號可進行疲勞測定，并對疲勞過程中相關(guān)的生理現(xiàn)象進行測定。S E M G 通過快速頻譜分析程序可獲得有關(guān)疲勞( 或耐力測試) 的標[4]。

　　此外，sEMG的FFT頻譜曲線并非呈典型的正態(tài)分布，因而從統(tǒng)計學角度而言，使用MF刻畫sEMG的頻譜特征的變化要優(yōu)于MPF,但在具體實踐中人們發(fā)現(xiàn)，在反映肌肉的活動狀態(tài)和能狀態(tài)上MPF更具敏感性。

　　2.時域分析

　　時域分析是將肌電信號看作時間的函數(shù)，用來刻畫時間序列信號的振幅特征，主要包括積分肌電值(IEMG)、 均方根值(RMS)、平均振幅(MA)等。

　　積分肌電是所得肌電信號經(jīng)整流濾波后單位時間內(nèi)曲線下面積的總和，它可反映肌電信號隨時間進行的強弱變化[5]。肌電積分用于分析肌肉在單位時間內(nèi)的收縮特性[6]，其計算公式如下：

　　iEMG=∫t+Tt|EMG(t)| dt

　　均方根值(RMS)和IEMG一樣也可在時間維度上反映sEMG信號振幅的變化特征，它直接與EMG信號的電率相關(guān),具有更加直接的物理意義。

　　平均振幅(MA)反映肌肉電信號的強度，與參與的運動單位數(shù)目。

　　3.幅頻聯(lián)合分析(joint analysis of EMG spectrum and application, JASA)

　　JASA分析[7]是Alivin. Luttmann 等先提出的，是一種同時考慮EMG振幅和頻譜變化的一種新的疲勞測定方法，這樣才能更好地反映肌肉疲勞的真實情況。幅頻聯(lián)合分析同時對sEMG信號的振幅和頻譜變化加以綜合考慮，有效辨別因肌力增加或因疲勞狀態(tài)而產(chǎn)生的肌電信號變化的類似現(xiàn)象。

　　4.小波分析法

　　小波分析法[8]是一種把時域和頻域結(jié)合起來的分析方法，具有可變的時域和頻域分析窗口，為信號的實時處理提供了一條可靠的途徑。通過適當?shù)男〔ㄗ儞Q對于不同能狀態(tài)下的肌電信號，可以在不同尺度下觀察其頻率的變化和時間的特性。有研究認為小波分析對運動員中非穩(wěn)定肌電信號的分析較為適合。利用小波變換的時、頻定位特性，可以實現(xiàn)信號的時變譜分析，可以在意細節(jié)上分析信號，而對噪聲不敏感。因此小波變換是表面肌電信號分析的有力具。

　　(三)sEMG在肌肉能評估應用中的研究現(xiàn)狀

　　1.臨床上利用sEMG評價神經(jīng)肌肉病損

　　肌電圖學是神經(jīng)電生理檢測的重要組成分。對肌肉的檢測可用于區(qū)分神經(jīng)源性和肌源性損害以及損害的程度并可進行新生電位和能的檢測，從而為臨床提供準確詳細的客觀依據(jù)，臨床上用于肌肉診斷范圍如下：

　　(1)肌源性疾病(肌纖維)：包括各類型的慢性進行性肌營養(yǎng)不良、多發(fā)性肌炎、肌強直性綜合征、先天性肌強直、萎縮性肌強直。

　　肌電積分值與肌力和肌張力之間的關(guān)系是：肌肉隨靜力收縮時用表面電測定的肌電積分值與肌肉強力之間呈正相關(guān); 肌電積分值與肌張力呈正相關(guān)[9]。所以表面肌電圖可用于評估治療患者受損神經(jīng)肌肉能的變化狀況及與健側(cè)的差異，而且可用于觀察治療前后患側(cè)神經(jīng)肌肉能的進步情況并據(jù)此制定和調(diào)整下一步的治療方案[10]。此方案在康復學神經(jīng)肌肉疾病導致的能障礙進行肌力、肌張力與肌肉疲勞度的評估中具有應用價值;sEMG在強直性肌病的診斷及鑒別診斷中具有重要地位，可以用sEMG鑒別診斷先天性肌強直、萎縮性肌強直、先天性副肌強直。

　　(2)神經(jīng)肌肉接頭疾�。褐匕Y肌無力、肌無力綜合癥。

　　EMG重復電刺激衰減波現(xiàn)象不僅可以幫助確診，而且有助于鑒別分類重癥肌無力，后者低頻刺激波幅衰減10%以上，但高頻刺激反而大幅增高。但是有的學者認為，EMG對重癥肌無力病只能做出分類診斷目的,須結(jié)合肌活檢和初始臨床診斷，否則易導致該類疾病誤診。

　　(3)應用于不明原因的肌萎縮、麻木、無力、肢體活動障礙等疾病的定性、定位診斷。

　　肌肉萎縮后肌纖維橫截面積減小以及肌肉由于卸載而出現(xiàn)持續(xù)性收縮,肌肉萎縮后肌電率譜發(fā)生相應改變.sEMG為肌肉萎縮的無創(chuàng)檢測提供一種新的方法。例如肌電圖的神經(jīng)傳導速度異常是肌萎縮側(cè)索硬化(ALS)的診斷標準之一，CMAP波幅/DML×F 波的出現(xiàn)率是一種有效的客觀的電生理數(shù)，可對ALS病情及其預后進行量化評估。

　　(4)康復治療療效評定。

　　針對肌肉康復治療手段，特別是康復運動訓練手段，可作為治療前、后療效對比及隨訪的評估方法。例如利用sEMG輔助診斷腰背疾患評估椎旁肌能。在手術(shù)、外傷、頸肩腰腿痛及其他肌肉能障礙情況下，通過潛在的肌電信號改變確定肌肉的能障礙、疼痛等嚴重程度.S E M G 可與其他先進的康復測試和訓練儀器結(jié)合，協(xié)助診斷和評定各種影響骨骼肌能的情況，如與視頻圖像結(jié)合可較好地對某些日常活動能的動作進行分析;與步態(tài)分析系統(tǒng)結(jié)合，分析異常步態(tài)的肌電活動情況;與同步攝像系統(tǒng)結(jié)合對照研究，有助于分析并糾正各種異常步態(tài);與平衡測試訓練儀和等速測試系統(tǒng)配合使診斷更為明確。

　　(5)其他疾病的肌病等。

　　現(xiàn)代S E M G 測試系統(tǒng)可以將肌電信號引出放大，可采用顯示器及喇叭分別將圖像信號及聲音信號反饋給受試者，實現(xiàn)雙信號的反饋治療，增強訓練效果，對于提高肌力有很大幫助，可用于各種肌肉萎縮和癱瘓的治療。也可用特殊電，檢測訓練盆底肌肉，用于預防和治療尿失禁、子宮脫垂及痔瘡等。

　　2.sEMG在測定肌肉疲勞中的應用

　　肌肉疲勞的測定無論在康復學還是體育科研都有重要意義，1975年P(guān)etrofsky等提出，肌肉疲勞時肌電率譜中心頻率(CF)由高頻向低頻轉(zhuǎn)移，當疲勞致使作停止時，中心頻率都達到一個相同的終值后，中心頻率已被廣泛用于肌肉疲勞的定量分析，有研究表明，CF在肌肉疲勞時向低頻轉(zhuǎn)移，并與肌肉疲勞有較好的相關(guān)性。大收縮力(MCV)下降50%時所對應的中心頻率下降曲線對疲勞較敏感，較能反映疲勞程度。在肌肉疲勞產(chǎn)生機理方面，目前研究證實，隨意性運動引起肌肉收縮力下降后，eEMG的大H波與大M波振幅比率明顯降低，這種現(xiàn)象說明肌肉疲勞發(fā)生過程中的脊髓運動神經(jīng)元興奮性受到抑制，而脊髓運動神經(jīng)元興奮性的降低則可能是導致肌肉疲勞發(fā)生的重要因素。通過sEMG和eEMG分析，肌纖維活動電位的異常、神經(jīng)肌肉接頭傳導不、脊髓運動神經(jīng)元興奮性低下等因素的共同作用，是導致肌肉疲勞發(fā)生的重要原因。

　　“肌電疲勞閾”(Electromyographic fatigue threshold, EMGFT),由 Matsumoto等建立，他們認為隨著肌肉疲勞的發(fā)生和發(fā)展，iEMG和RMS線形增加，并以此評價肌肉的作性能。Matsu-moto等通過對21名女大學生受試者的研究發(fā)現(xiàn),受試者在分別完成150W、200W、250W和300W強度，為時60s的踏車運動時,股外肌的積分肌電值與運動時間呈直線相關(guān),各級運動時iEMG曲線的斜率與負荷強度間呈直線相關(guān)，認為應用sEMG可以對機體運動的疲勞閾值做出準確的檢測。有學者認為預測肌肉的疲勞閾無論是動態(tài)還是靜態(tài)運動，一般情況下，隨著運動肌疲勞的發(fā)生和發(fā)展,表面肌電信號的FFT曲線可以發(fā)生不同程度的左移現(xiàn)象，并且導致反映頻譜曲線特征的MPF和MF產(chǎn)生相應的下降，并以此利用sEMG判斷肌肉的能狀況。有關(guān)sEMG率譜左移原因，有學者在探討肌肉疲勞過程中sEMG率譜變化與H+的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，肱二頭肌在以60%MVC靜態(tài)疲勞負荷過程中MPF呈線性下降.在疲勞負荷后的恢復期,MPF恢復其迅速,運動結(jié)束后僅2 s,MPF已恢復到整個下降范圍的26.5%;至30 s,MPF已恢復到整個下降范圍的87.7%.由此得出結(jié)論:由[H+]增加引起的肌纖維動作電位傳導速度下降不是決定sEMG率譜左移的唯一因素,提示sEMG率譜左移可能與神經(jīng)源性的中樞機制的作用有關(guān)。

　　3.利用sEMG評價肌肉力量及肌肉活動的協(xié)調(diào)性

　　sEMG為體育科學的研究提供了重要的依據(jù)與評價方法，它可以在運動過程中間接測定肌肉力量，也可以進行運動術(shù)分析。其應用機理是肌肉收縮強度越大，肌電圖的幅度增加.有學者采用表面雙相誘導法的肌電圖檢測及應用錄像軌跡系統(tǒng)對三種下蹲動作進行三次元解析�？疾觳捎闷胀ㄏ露鬃藙�、寬足間距下蹲姿勢、髖關(guān)節(jié)伸展下蹲姿勢三種不同下蹲姿勢的力量訓練,記錄下肢主要運動肌的肌電圖反應和地面反作用力所產(chǎn)生的影響,從生理和力學的角度進行分析。得出結(jié)論:采用髖關(guān)節(jié)伸展下蹲動作的下肢力量訓練對短跑選手提高途中跑能力起到一定的作用;采用初動負荷法中的超等長收縮的蹲起方法對提高短跑選手的肌肉發(fā)力有效。

　　4.利用sEMG預測肌纖維類型

　　sEMG信號是一定范圍內(nèi)許多肌纖維活動的總和，利用sEMG預測骨骼肌纖維類型的基本理論依據(jù)是抗阻負荷過程中某些表面肌電信號(主要是MPF) 特征與Ⅰ型纖維比例呈線性負相關(guān)，或與Ⅱ型纖維比例呈正相關(guān)。大多數(shù)學者的研究結(jié)論是,快肌纖維成分高者MPF較高，疲勞時下降明顯，而慢肌纖維成分高者下降不明顯[25]。

　　總之，sEMG因兼?zhèn)浞菗p傷性、局性、實時性等優(yōu)點，為臨床康復學、體育科學等領(lǐng)域的研究提供了重要的依據(jù)與評價方法，隨著計算機應用及科的日新月異，肌電診斷檢查術(shù)也會不斷更新，其應用范圍將會更加廣泛。(轉(zhuǎn)載)