试论表面肌电技术在运动性肌肉疲劳中的应用

发布时间：2015-02-06 17:36

　　摘要：表面肌电图是在肌肉表面，通过电极引导记录下来的神经肌肉系统活动的生物电信号，随着肌肉运动时产生微小的生物电变化，表面肌电图的指标均会发生相应的变化。机体疲劳的外在表现与神经内在电改变紧密相关，针灸推拿对运动疲劳具有缓解作用，可以促进肌肉疲劳的恢复，有助于建立科学的训练方法。

　　关键词：表面肌电；运动疲劳；针灸；推拿

　　【中图分类号】R453 【文献标识码】B 【文章编号】1002-3763（2014）08-0041-01

　　表面肌电（surface electromyographic，sEMG））图，也称动态肌电图，是从皮肤表面通过电极引导，记录下来的神经肌肉系统活动的生物电信号。在目标肌肉表面放置电极， 采集肌肉活动/动作（等张、等长、等速）时的肌电信号，定量和定性分析神经肌肉功能， 并可推测神经肌肉的病变特性。目前表面肌电图主要适用于康复医学中功能及疗效的评价与治疗和体育运动中疲劳相关的肌肉力学分析。表面肌电图作为一种无创的检测方法，在运动性肌肉疲劳研究中发挥重要作用，对运动疲劳的判定也有着重要的实用价值。
　　1 运动疲劳
　　运动疲劳是生理疲劳（physical fatigue）和精神疲劳（mental fatigue）的综合表现。目前运动性疲劳的发生机制具有多种学说解释，这些学说都多与神经系统有关。人体的任何行为都是受神经系统所支配，疲劳的外在表现同神经内在电变化是密切相关的。
　　中医并没有明确运动疲劳的定义，但是从古代就早有对疲劳的认识，并且认识到运动是引起疲劳的一个主要原因。中医认为，过度运动所导致的疲劳，极易于损伤人的气血。《素问·举痛论》曰：“劳则气耗……劳则喘息汗出，外内皆越，故气耗矣。”孙思邈《千金要方》中五劳即有一为疲劳：“五劳者，一曰志劳，二曰思劳，三曰忧劳，四曰心劳，五曰疲劳。”自20世纪七、八十年代起，，对运动疲劳开始进行系统研究，在1982年美国波士顿第5届国际运动生物化学学术会议上，提出了新的疲劳定义：机体生理过程不能持续其机能在特定水平上进行，或不能维持预定的运动强度。
　　2 表面肌电技术
　　2.1 表面肌电发展：
　　表面肌电信号是通过电极引导、放大、显示和记录下来的从人体骨骼肌表面获得的神经肌肉系统活动时的生物电信号。在17世纪60年代，法朗西斯科·瑞迪发现了肌肉能产生电活动，这是早期的肌电研究。一直到20世纪前，由于设备与技术的限制，对于肌电研究并不多。20世纪以后，随着科技的进步，表面肌电技术得到进一步的研究进展。
　　2.2 表面肌电信号的分析指标
　　2.2.1 时间域分析：
　　时间域分析是指可以在时间维度上反映肌电曲线变化特征的评价指标。 时间域包括积分肌电（iEMG）、均方根（RMS）、平均振幅（MA）等，其中iEMG是肌肉电信号在整流滤波求单位时间内曲线下面积的总和。可以反映肌电信号随时间进行的强弱变化，是疲劳评价的重要手段。
　　2.2.2 频率域分析：
　　频率域包括平均功率频率（MPF）、中心频率（CF）及中位频率（MF）等，主要的分析方法是对sEMG信号进行快速傅立叶因地转换（FFT），从而获得sEMG信号的频谱。一般情况下，无论是动态还是静态运动，随着运动疲劳的产生，sEMG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。
　　2.2.3 小波分析：
　　小波分析法是将时间域和频率域结合起来分析的一种非线性分析方法，具有可变的时间域和频率域的分析窗口，为信号的实时处理提供了一条可靠的途径。小波分析可以实现信号的时变谱分析，是表面肌电信号分析的有力工具。
　　2.3 表面肌电应用：
　　sEMG在分析肌肉的功能状态中广泛应用，分析研究肌肉损伤病变、肌肉收缩速度、肌肉间协调性以及肌纤维成分等。疲劳程度的判断一般可以通过自身的感觉以及外部表现来确定。sEMG评价肌肉疲劳则可以成为科学而有效的依据。sEMG对肌肉疲劳的测定，在体育科研与康复医学中有着重要的意义。sEMG信号会随着运动性肌肉疲劳的产生而产生相应的变化。杨春红运用线性和非线性分析方法对肱二头肌运动进行监测，分析不同强度等长收缩诱发局部肌肉疲劳及恢复过程中表面肌电信号特征的变化规律。实验结果显示，sEMG信号在线性和非线性特征指标在不同强度等长负荷诱发局部肌肉疲劳的过程中均表现出良好的规律性。即随着局部肌肉疲劳的发展，sEMG信号的随机性程度下降，周期性逐渐增强。疲劳过程中肌电信号AEMG、MPF、C（n）和%DET的变化具有良好的规律性，而在恢复期第2秒肌电信号AEMG、MPF、C（n）和%DET与肌肉收缩至力竭时相比显著得到恢复。除了AEMG，其余指标在前10秒恢复很快，随后恢复速度变慢。恢复初期sEMG信号特征的快速变化提示中枢控制因素可能发挥更大的作用。

　　3 中医相关调节方法
　　3.1 中医针灸：
　　针灸对于运动性疲劳有显著的效果。针刺以经络学说为理论论据。经络是人体运行气血、联络脏腑的通路。而穴位是这些通路上特殊的“点”。针灸通过刺激穴位，疏通经气，调节脏腑气血，增强机体的免疫力，促进机体功能恢复正常。针灸治疗的特点是效果明显，并且没有副作用。邢方印利用小波分析将表面肌电进行时间和频率的局域变换，同时结合心率的改变，在研究中发现，针刺具有缓解下肢运动肌肉疲劳的作用，针刺局部穴位可以改善腓肠肌收缩功能，促进腓肠肌疲劳的缓解。另有学者通过观察针刺侠白穴对双侧肱二头肌上的表面肌电指标与肌肉疲劳的变化，实验显示针刺组的MF和MPF值比对照组明显提高，得出针灸对缓解肌肉疲劳有效的结论。

 

　　3.2 中医推拿：
　　中医推拿是解除肌肉紧张与痉挛的有效方法，推拿是一种良好的物理刺激，可以引起局部生理、生化变化，并通过神经反射和神经体液调节来影响各个器官系统的功能，从而纠正运动功能失调，消除疲劳，提高运动能力。推拿可以针对运动性疲劳所发生部位的不同，采取不同的手法对身体进行放松。推拿不但可以直接放松肌肉，同时可以解除引起肌肉紧张的原因，它能够有效消除精神紧张、肌肉僵硬以及局部疲劳，促使静脉血液回流，减轻心脏负担，清除血乳酸，加速机体恢复。合理的按摩能够有效地减轻运动后肌肉酸痛的感觉，按摩部位也应根据运动的专项特点和疲劳程度而定。一般是按摩运动负荷量大的部位。推拿按摩可使肌肉纤维被动活动，使被牵拉的肌肉放松，消除疲劳，由于肌肉毛细血管扩张与后备毛细血管开放致血液循环加快，使肌肉需要的氧气和营养物质得到及时的补充，提高神经、肌肉及器官的活性，并可以促进乳酸等代谢产物的吸收和排泄，因而可以起到提高工作效率和消除疲劳的作用。刘强利用表面肌电技术来评价中医推拿对拳击运动员专项训练后上肢肌肉疲劳后的恢复效果，经实验证实，平均功率频率（MPF）降低，所以MPF可以作为中医手法推拿对肌肉疲劳后恢复效果的评价指标。王念宏在临床上通过对患者进行推拿治疗发现，患者股四头肌的激活水平较对照组明显升高，中位频率和积分肌电水平较对照组升高，推拿组肌力及抗疲劳水平较对照组明显增加，也初步验证了推拿可以有效缓解骨骼肌的疲劳，促进肌力恢复。
　　4 结论
　　表面肌电图监测是安全、易掌握、非侵入性记录肌电的一种量化方法。在控制良好的条件下，表面肌电信号活动的变化能够在较大程度上反映肌肉活动的局部疲劳程度。无论是动态运动还是静态运动，一般来说，伴随运动性疲劳的发生与发展，sEMG的时域值在运动至疲劳过程中，总体趋势是上升的，并且sEMG的频域频谱曲线可以发生不同程度的左移，其中相关肌电指标MF与MPF会随之降低。针灸推拿疗法对运动疲劳具有缓解作用。通过监测运动员运动时的表面肌电信号，能够反映出肌肉的疲劳与兴奋程度，利用针灸推拿疗法对运动疲劳具有的缓解作用，有助于建立科学的训练方法。

 

本文编号：12723