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解析表面肌电图在肌肉能评估中的应用


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表面肌电图在肌肉能评估中的应用

  (一)sEMG

  表面肌电图(surface electromyography, sEMG),又称动态肌电图(dynamic electromyography ,DEMG),是从肌肉表面通过电极引导、记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号。它与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度的关联性,因而能在一定程度上反映神经肌肉的活动。肌肉运动中产生的生物电通过两个测量电极(相对于参考电极)产生电位差,差分放大器检测到该信号后,经过放大、记录后所得到的图形,现代高档的sEMG都是把放大的信号再转化为数字信号,经过通讯系统传输给微机。微机中的分析软件对所获得的数据进行分析处理,从而完成测试评估等科研或临床诊断任务。sEMG是一种简单、无创、容易被受试者接受的肌电活动,可用于测试较大范围内的E M G 信号,并有助于反映运动过程中肌肉生理、生化等方面的改变;不仅可在静止状态测定肌肉活动,而且可在各种运动过程中持续观察肌肉活动的变化;不仅是一种对运动功能有意义的诊断评价方法,而且也是一种较好的生物反馈治疗技术[1]。因而在临床医学的神经肌肉疾病诊断、高等院校人机工效学领域的肌肉工作的工效学分析,体育系统(体科所)疲劳判定、运动技术合理性分析、肌纤维类型和无氧阈值的无损伤性预测,医院康复领域神经肌肉疾病诊断,肌肉功能评价等高等方面均有重要的实用价值[2]。

  (二)sEMG常用分析指标

  1.频域分析

  分析方法是对sEMG信号进行快速傅立叶转换(FFT),获得sEMG信号的频谱或功率谱,反映sEMG信号在不同频率分量的变化,较好地在频率维度上反映sEMG的变化[3]。目前,在频域分析方面常用以下两种指标进行分析,即平均功率频率(mean power Frequency,MPF)和中位频率(Median Frequency ,MF)。M F斜率已经被用作一个在维持等长收缩过程中的疲劳度指数。在肌肉疲劳过程中可出现以下生理现象:如运动单位的同步性、慢/ 快肌纤维的募集顺序改变、代谢方面的改变(包括能量产生形式的改变、缺氧、H + 浓度增加、细胞膜传导性降低),E M G信号的频率趋向于低频率的转变。因此, 应用E M G 信号可进行疲劳测定,并对疲劳过程中相关的生理现象进行测定。S E M G 通过快速频谱分析程序可获得有关疲劳( 或耐力测试) 的指标[4]。

  此外,sEMG的FFT频谱曲线并非呈典型的正态分布,因而从统计学角度而言,使用MF刻画sEMG的频谱特征的变化要优于MPF,但在具体实践中人们发现,在反映肌肉的活动状态和功能状态上MPF更具敏感性。

  2.时域分析

  时域分析是将肌电信号看作时间的函数,用来刻画时间序列信号的振幅特征,主要包括积分肌电值(IEMG)、 均方根值(RMS)、平均振幅(MA)等。

  积分肌电是指所得肌电信号经整流滤波后单位时间内曲线下面积的总和,它可反映肌电信号随时间进行的强弱变化[5]。肌电积分用于分析肌肉在单位时间内的收缩特性[6],其计算公式如下:

  iEMG=∫t+Tt|EMG(t)| dt

  均方根值(RMS)和IEMG一样也可在时间维度上反映sEMG信号振幅的变化特征,它直接与EMG信号的电功率相关,具有更加直接的物理意义。

  平均振幅(MA)反映肌肉电信号的强度,与参与的运动单位数目。

  3.幅频联合分析(joint analysis of EMG spectrum and application, JASA)

  JASA分析[7]是Alivin. Luttmann 等最先提出的,是一种同时考虑EMG振幅和频谱变化的一种新的疲劳测定方法,这样才能更好地反映肌肉疲劳的真实情况。幅频联合分析同时对sEMG信号的振幅和频谱变化加以综合考虑,有效辨别因肌力增加或因疲劳状态而产生的肌电信号变化的类似现象。

  4.小波分析法

  小波分析法[8]是一种把时域和频域结合起来的分析方法,具有可变的时域和频域分析窗口,为信号的实时处理提供了一条可靠的途径。通过适当的小波变换对于不同功能状态下的肌电信号,可以在不同尺度下观察其频率的变化和时间的特性。有研究认为小波分析对运动员中非稳定肌电信号的分析较为适合。利用小波变换的时、频定位特性,可以实现信号的时变谱分析,可以在任意细节上分析信号,而对噪声不敏感。因此小波变换是表面肌电信号分析的有力工具。

  (三)sEMG在肌肉功能评估应用中的研究现状

  1.临床上利用sEMG评价神经肌肉病损

  肌电图学是神经电生理检测的重要组成部分。对肌肉的检测可用于区分神经源性和肌源性损害以及损害的程度并可进行新生电位和功能的检测,从而为临床提供准确详细的客观依据,临床上用于肌肉诊断范围如下:

  (1)肌源性疾病(肌纤维):包括各类型的慢性进行性肌营养不良、多发性肌炎、肌强直性综合征、先天性肌强直、萎缩性肌强直。

  肌电积分值与肌力和肌张力之间的关系是:肌肉随静力收缩时用表面电极测定的肌电积分值与肌肉强力之间呈正相关; 肌电积分值与肌张力呈正相关[9]。所以表面肌电图可用于评估治疗患者受损神经肌肉功能的变化状况及与健侧的差异,而且可用于观察治疗前后患侧神经肌肉功能的进步情况并据此制定和调整下一步的治疗方案[10]。此方案在康复医学神经肌肉疾病导致的功能障碍进行肌力、肌张力与肌肉疲劳度的评估中具有应用价值;sEMG在强直性肌病的诊断及鉴别诊断中具有重要地位,可以用sEMG鉴别诊断先天性肌强直、萎缩性肌强直、先天性副肌强直。

  (2)神经肌肉接头疾病:重症肌无力、肌无力综合症。

  EMG重复电刺激衰减波现象不仅可以帮助确诊,而且有助于鉴别分类重症肌无力,后者低频刺激波幅衰减10%以上,但高频刺激反而大幅增高。但是有的学者认为,EMG对重症肌无力病只能做出分类诊断目的,必须结合肌活检和初始临床诊断,否则易导致该类疾病误诊。

  (3)应用于不明原因的肌萎缩、麻木、无力、肢体活动障碍等疾病的定性、定位诊断。

  肌肉萎缩后肌纤维横截面积减小以及肌肉由于卸载而出现持续性收缩,肌肉萎缩后肌电功率谱发生相应改变.sEMG为肌肉萎缩的无创检测提供一种新的方法。例如肌电图的神经传导速度异常是肌萎缩侧索硬化(ALS)的诊断标准之一,CMAP波幅/DML×F 波的出现率是一种有效的客观的电生理指数,可对ALS病情及其预后进行量化评估。

  (4)康复治疗疗效评定。

  针对肌肉康复治疗手段,特别是康复运动训练手段,可作为治疗前、后疗效对比及随访的评估方法。例如利用sEMG辅助诊断腰背部疾患评估椎旁肌功能。在手术、外伤、颈肩腰腿痛及其他肌肉功能障碍情况下,通过潜在的肌电信号改变确定肌肉的功能障碍、疼痛等严重程度.S E M G 可与其他先进的康复测试和训练仪器结合,协助诊断和评定各种影响骨骼肌功能的情况,如与视频图像结合可较好地对某些日常活动功能的动作进行分析;与步态分析系统结合,分析异常步态的肌电活动情况;与同步摄像系统结合对照研究,有助于分析并纠正各种异常步态;与平衡测试训练仪和等速测试系统配合使诊断更为明确。

  (5)其他疾病的肌病等。

  现代S E M G 测试系统可以将肌电信号引出放大,可采用显示器及喇叭分别将图像信号及声音信号反馈给受试者,实现双信号的反馈治疗,增强训练效果,对于提高肌力有很大帮助,可用于各种肌肉萎缩和瘫痪的治疗。也可用特殊电极,检测训练盆底肌肉,用于预防和治疗尿失禁、子宫脱垂及痔疮等。

  2.sEMG在测定肌肉疲劳中的应用

  肌肉疲劳的测定无论在康复医学还是体育科研都有重要意义,1975年Petrofsky等提出,肌肉疲劳时肌电功率谱中心频率(CF)由高频向低频转移,当疲劳致使工作停止时,中心频率都达到一个相同的终值后,中心频率已被广泛用于肌肉疲劳的定量分析,有研究表明,CF在肌肉疲劳时向低频转移,并与肌肉疲劳有较好的相关性。最大收缩力(MCV)下降50%时所对应的中心频率下降曲线对疲劳较敏感,较能反映疲劳程度。在肌肉疲劳产生机理方面,目前研究证实,随意性运动引起肌肉收缩力下降后,eEMG的最大H波与最大M波振幅比率明显降低,这种现象说明肌肉疲劳发生过程中的脊髓运动神经元兴奋性受到抑制,而脊髓运动神经元兴奋性的降低则可能是导致肌肉疲劳发生的重要因素。通过sEMG和eEMG比较分析,肌纤维活动电位的异常、神经肌肉接头部传导不全、脊髓运动神经元兴奋性低下等因素的共同作用,是导致肌肉疲劳发生的重要原因。

  “肌电疲劳阈”(Electromyographic fatigue threshold, EMGFT),由 Matsumoto等建立,他们认为随着肌肉疲劳的发生和发展,iEMG和RMS线形增加,并以此评价肌肉的工作性能。Matsu-moto等通过对21名女大学生受试者的研究发现,受试者在分别完成150W、200W、250W和300W强度,为时60s的踏车运动时,股外肌的积分肌电值与运动时间呈直线相关,各级运动时iEMG曲线的斜率与负荷强度间呈直线相关,认为应用sEMG可以对机体运动的疲劳阈值做出准确的检测。有学者认为预测肌肉的疲劳阈无论是动态还是静态运动,一般情况下,随着运动肌疲劳的发生和发展,表面肌电信号的FFT曲线可以发生不同程度的左移现象,并且导致反映频谱曲线特征的MPF和MF产生相应的下降,并以此利用sEMG判断肌肉的功能状况。有关sEMG功率谱左移原因,有学者在探讨肌肉疲劳过程中sEMG功率谱变化与H+的关系时发现,肱二头肌在以60%MVC静态疲劳负荷过程中MPF呈线性下降.在疲劳负荷后的恢复期,MPF恢复极其迅速,运动结束后仅2 s,MPF已恢复到整个下降范围的26.5%;至30 s,MPF已恢复到整个下降范围的87.7%.由此得出结论:由[H+]增加引起的肌纤维动作电位传导速度下降不是决定sEMG功率谱左移的唯一因素,提示sEMG功率谱左移可能与神经源性的中枢机制的作用有关。

  3.利用sEMG评价肌肉力量及肌肉活动的协调性

  sEMG为体育科学的研究提供了重要的依据与评价方法,它可以在运动过程中间接测定肌肉力量,也可以进行运动技术分析。其应用机理是肌肉收缩强度越大,肌电图的幅度增加.有学者采用表面双相诱导法的肌电图检测及应用录像轨迹系统对三种下蹲动作进行三次元解析。考察采用普通下蹲姿势、宽足间距下蹲姿势、髋关节伸展下蹲姿势三种不同下蹲姿势的力量训练,记录下肢主要运动肌的肌电图反应和地面反作用力所产生的影响,从生理和力学的角度进行分析。得出结论:采用髋关节伸展下蹲动作的下肢力量训练对短跑选手提高途中跑能力起到一定的作用;采用初动负荷法中的超等长收缩的蹲起方法对提高短跑选手的肌肉爆发力有效。

  4.利用sEMG预测肌纤维类型

  sEMG信号是一定范围内许多肌纤维活动的总和,利用sEMG预测骨骼肌纤维类型的基本理论依据是抗阻负荷过程中某些表面肌电信号(主要是MPF) 特征与Ⅰ型纤维比例呈线性负相关,或与Ⅱ型纤维比例呈正相关。大多数学者的研究结论是,快肌纤维成分高者MPF较高,疲劳时下降明显,而慢肌纤维成分高者下降不明显[25]。

  总之,sEMG因兼备非损伤性、局部性、实时性等优点,为临床康复医学、体育科学等领域的研究提供了重要的依据与评价方法,随着计算机应用及科技的日新月异,肌电诊断检查技术也会不断更新,其应用范围将会更加广泛。(转载)


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