()sEMG
表面肌電圖(surface electromyography， sEMG)，又稱動(dòng)態(tài)肌電圖(dynamic electromyography ,DEMG)，是從肌肉表面通過電引導(dǎo)、記錄下來的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)。它與肌肉的活動(dòng)狀態(tài)和能狀態(tài)之間存在著不同程度的關(guān)聯(lián)性，因而能在定程度上反映神經(jīng)肌肉的活動(dòng)。肌肉運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的生物電通過兩個(gè)測(cè)量電(相對(duì)于參考電)產(chǎn)生電位差，差分放大器檢測(cè)到該信號(hào)后，經(jīng)過放大、記錄后所得到的圖形，現(xiàn)代檔的sEMG都是把放大的信號(hào)再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過通訊系統(tǒng)傳輸給微機(jī)。微機(jī)中的分析軟件對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)行分析處理，從而成測(cè)試評(píng)估等科研或臨床診斷務(wù)。sEMG是種簡(jiǎn)單、無、容易被受試者接受的肌電活動(dòng)，可用于測(cè)試較大范圍內(nèi)的E M G 信號(hào)，并有助于反映運(yùn)動(dòng)過程中肌肉生理、生化等方面的改變;不僅可在靜止?fàn)顟B(tài)測(cè)定肌肉活動(dòng)，而且可在各種運(yùn)動(dòng)過程中持續(xù)觀察肌肉活動(dòng)的變化;不僅是種對(duì)運(yùn)動(dòng)能有意義的診斷評(píng)價(jià)方法，而且也是種較好的生物反饋治療術(shù)[1]。因而在臨床學(xué)的神經(jīng)肌肉疾病診斷、等院校人機(jī)效學(xué)域的肌肉作的效學(xué)分析，體育系統(tǒng)(體科所)疲勞判定、運(yùn)動(dòng)術(shù)合理性分析、肌纖維類型和無氧閾值的無損傷性預(yù)測(cè)，院康復(fù)域神經(jīng)肌肉疾病診斷，肌肉能評(píng)價(jià)等等方面均有重要的實(shí)用價(jià)值[2]。
(二)sEMG常用分析標(biāo)
1.頻域分析
分析方法是對(duì)sEMG信號(hào)行快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)，獲得sEMG信號(hào)的頻譜或率譜，反映sEMG信號(hào)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(biāo)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)被用作個(gè)在維持等長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)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(xì)胞膜傳導(dǎo)性降低)，E M G信號(hào)的頻率趨向于低頻率的轉(zhuǎn)變。因此， 應(yīng)用E M G 信號(hào)可行疲勞測(cè)定，并對(duì)疲勞過程中相關(guān)的生理現(xiàn)象行測(cè)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(cè)試) 的標(biāo)[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(jì)學(xué)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(shí)踐中人們發(fā)現(xiàn)，在反映肌肉的活動(dòng)狀態(tài)和能狀態(tài)上MPF更具敏感性。
2.時(shí)域分析
時(shí)域分析是將肌電信號(hào)看作時(shí)間的函數(shù)，用來刻畫時(shí)間序列信號(hào)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(hào)經(jīng)整流濾波后單位時(shí)間內(nèi)曲線下面積的總和，它可反映肌電信號(hào)隨時(shí)間行的強(qiáng)弱變化[5]。肌電積分用于分析肌肉在單位時(shí)間內(nèi)的收縮特性[6]，其計(jì)算公式如下：
iEMG=∫t+Tt|EMG(t)| dt
均方根值(RMS)和IEMG樣也可在時(shí)間維度上反映sEMG信號(hào)振幅的變化特征，它直接與EMG信號(hào)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(hào)的強(qiáng)度，與參與的運(yùn)動(dòng)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 等提出的，是種同時(shí)考慮EMG振幅和頻譜變化的種新的疲勞測(cè)定方法，這樣才能更好地反映肌肉疲勞的真實(shí)情況。幅頻聯(lián)合分析同時(shí)對(duì)sEMG信號(hào)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(hào)變化的類似現(xiàn)象。
4.小波分析法
小波分析法[8]是種把時(shí)域和頻域結(jié)合起來的分析方法，具有可變的時(shí)域和頻域分析窗口，為信號(hào)的實(shí)時(shí)處理提供了條可靠的途徑。通過適當(dāng)?shù)男〔ㄗ儞Q對(duì)于不同能狀態(tài)下的肌電信號(hào)，可以在不同尺度下觀察其頻率的變化和時(shí)間的特性。有研究認(rèn)為小波分析對(duì)運(yùn)動(dòng)員中非穩(wěn)定肌電信號(hào)的分析較為適合。利用小波變換的時(shí)、頻定位特性，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)變譜分析，可以在意細(xì)節(jié)上分析信號(hào)，而對(duì)噪聲不敏感。因此小波變換是表面肌電信號(hào)分析的有力具。
(三)sEMG在肌肉能評(píng)估應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀
1.臨床上利用sEMG評(píng)價(jià)神經(jīng)肌肉病損
肌電圖學(xué)是神經(jīng)電生理檢測(cè)的重要組成分。對(duì)肌肉的檢測(cè)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行新生電位和能的檢測(cè)，從而為臨床提供準(zhǔn)確詳細(xì)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)：包括各類型的慢性行性肌營(yíng)養(yǎng)不良、多發(fā)性肌炎、肌強(qiáng)直性綜合征、天性肌強(qiáng)直、萎縮性肌強(qiáng)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(shí)用表面電測(cè)定的肌電積分值與肌肉強(qiáng)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(píng)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)肌肉能的步情況并據(jù)此制定和調(diào)整下步的治療方案[10]。此方案在康復(fù)學(xué)神經(jīng)肌肉疾病導(dǎo)致的能障礙行肌力、肌張力與肌肉疲勞度的評(píng)估中具有應(yīng)用價(jià)值;sEMG在強(qiáng)直性肌病的診斷及鑒別診斷中具有重要地位，可以用sEMG鑒別診斷天性肌強(qiáng)直、萎縮性肌強(qiáng)直、天性副肌強(qiáng)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(fù)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，但頻刺激反而大幅增。但是有的學(xué)者認(rèn)為，EMG對(duì)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(dǎo)致該類疾病誤診。
(3)應(yīng)用于不明原因的肌萎縮、麻木、無力、肢體活動(dòng)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(yīng)改變.sEMG為肌肉萎縮的無檢測(cè)提供種新的方法。例如肌電圖的神經(jīng)傳導(dǎo)速度異常是肌萎縮側(cè)索硬化(ALS)的診斷標(biāo)準(zhǔn)之，CMAP波幅/DML×F 波的出現(xiàn)率是種有效的客觀的電生理數(shù)，可對(duì)ALS病情及其預(yù)后行量化評(píng)估。
(4)康復(fù)治療療效評(píng)定。
針對(duì)肌肉康復(fù)治療手段，特別是康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練手段，可作為治療前、后療效對(duì)比及隨訪的評(píng)估方法。例如利用sEMG輔助診斷腰背疾患評(píng)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(hào)改變確定肌肉的能障礙、疼痛等嚴(yán)重程度.S E M G 可與其他的康復(fù)測(cè)試和訓(xùn)練儀器結(jié)合，協(xié)助診斷和評(píng)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(duì)某些日?；顒?dòng)能的動(dòng)作行分析;與步態(tài)分析系統(tǒng)結(jié)合，分析異常步態(tài)的肌電活動(dòng)情況;與同步攝像系統(tǒng)結(jié)合對(duì)照研究，有助于分析并糾正各種異常步態(tài);與平衡測(cè)試訓(xùn)練儀和等速測(cè)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(cè)試系統(tǒng)可以將肌電信號(hào)引出放大，可采用顯示器及喇叭分別將圖像信號(hào)及聲音信號(hào)反饋給受試者，實(shí)現(xiàn)雙信號(hào)的反饋治療，增強(qiáng)訓(xùn)練效果，對(duì)于提肌力有很大幫助，可用于各種肌肉萎縮和癱瘓的治療。也可用特殊電，檢測(cè)訓(xùn)練盆底肌肉，用于預(yù)防和治療尿失禁、子宮脫垂及痔瘡等。
2.sEMG在測(cè)定肌肉疲勞中的應(yīng)用
肌肉疲勞的測(cè)定無論在康復(fù)學(xué)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(shí)肌電率譜中心頻率(CF)由頻向低頻轉(zhuǎn)移，當(dāng)疲勞致使作停止時(shí)，中心頻率都達(dá)到個(gè)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(shí)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(shí)所對(duì)應(yīng)的中心頻率下降曲線對(duì)疲勞較敏感，較能反映疲勞程度。在肌肉疲勞產(chǎn)生機(jī)理方面，目前研究證實(shí)，隨意性運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)神經(jīng)元興奮性受到抑制，而脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元興奮性的降低則可能是導(dǎo)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(dòng)電位的異常、神經(jīng)肌肉接頭傳導(dǎo)不、脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元興奮性低下等因素的共同作用，是導(dǎo)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(rèn)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(píng)價(jià)肌肉的作性能。Matsu-moto等通過對(duì)21名女大學(xué)生受試者的研究發(fā)現(xiàn),受試者在分別成150W、200W、250W和300W強(qiáng)度，為時(shí)60s的踏車運(yùn)動(dòng)時(shí),股外肌的積分肌電值與運(yùn)動(dòng)時(shí)間呈直線相關(guān),各運(yùn)動(dòng)時(shí)iEMG曲線的斜率與負(fù)荷強(qiáng)度間呈直線相關(guān)，認(rèn)為應(yīng)用sEMG可以對(duì)機(jī)體運(yùn)動(dòng)的疲勞閾值做出準(zhǔn)確的檢測(cè)。有學(xué)者認(rèn)為預(yù)測(cè)肌肉的疲勞閾無論是動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)運(yùn)動(dòng)，般情況下，隨著運(yùn)動(dòng)肌疲勞的發(fā)生和發(fā)展,表面肌電信號(hào)的FFT曲線可以發(fā)生不同程度的左移現(xiàn)象，并且導(dǎo)致反映頻譜曲線特征的MPF和MF產(chǎn)生相應(yīng)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(xué)者在探討肌肉疲勞過程中sEMG率譜變化與H+的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，肱二頭肌在以60%MVC靜態(tài)疲勞負(fù)荷過程中MPF呈線性下降.在疲勞負(fù)荷后的恢復(fù)期,MPF恢復(fù)其迅速,運(yùn)動(dòng)結(jié)束后僅2 s,MPF已恢復(fù)到整個(gè)下降范圍的26.5%;至30 s,MPF已恢復(fù)到整個(gè)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(dòng)作電位傳導(dǎo)速度下降不是決定sEMG率譜左移的因素,提示sEMG率譜左移可能與神經(jīng)源性的中樞機(jī)制的作用有關(guān)。
3.利用sEMG評(píng)價(jià)肌肉力量及肌肉活動(dòng)的協(xié)調(diào)性
sEMG為體育科學(xué)的研究提供了重要的依據(jù)與評(píng)價(jià)方法，它可以在運(yùn)動(dòng)過程中間接測(cè)定肌肉力量，也可以行運(yùn)動(dòng)術(shù)分析。其應(yīng)用機(jī)理是肌肉收縮強(qiáng)度越大，肌電圖的幅度增加.有學(xué)者采用表面雙相誘導(dǎo)法的肌電圖檢測(cè)及應(yīng)用錄像軌跡系統(tǒng)對(duì)三種下蹲動(dòng)作行三次元解析?？疾觳捎闷胀ㄏ露鬃藙?shì)、寬足間距下蹲姿勢(shì)、髖關(guān)節(jié)伸展下蹲姿勢(shì)三種不同下蹲姿勢(shì)的力量訓(xùn)練,記錄下肢主要運(yùn)動(dòng)肌的肌電圖反應(yīng)和地面反作用力所產(chǎn)生的影響,從生理和力學(xué)的角度行分析。得出結(jié)論:采用髖關(guān)節(jié)伸展下蹲動(dòng)作的下肢力量訓(xùn)練對(duì)短跑選手提途中跑能力起到定的作用;采用初動(dòng)負(fù)荷法中的等長(zhǎng)收縮的蹲起方法對(duì)提短跑選手的肌肉發(fā)力有效。
4.利用sEMG預(yù)測(cè)肌纖維類型
sEMG信號(hào)是定范圍內(nèi)許多肌纖維活動(dòng)的總和，利用sEMG預(yù)測(cè)骨骼肌纖維類型的基本理論依據(jù)是抗阻負(fù)荷過程中某些表面肌電信號(hào)(主要是MPF) 特征與Ⅰ型纖維比例呈線性負(fù)相關(guān)，或與Ⅱ型纖維比例呈正相關(guān)。大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)論是,快肌纖維成分者M(jìn)PF較，疲勞時(shí)下降明顯，而慢肌纖維成分者下降不明顯[25]。
總之，sEMG因兼?zhèn)浞菗p傷性、局性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，為臨床康復(fù)學(xué)、體育科學(xué)等域的研究提供了重要的依據(jù)與評(píng)價(jià)方法，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用及科的日新月異，肌電診斷檢查術(shù)也會(huì)不斷更新，其應(yīng)用范圍將會(huì)更加廣泛。(轉(zhuǎn)載)
