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解析表面肌電圖在肌肉能評估中的應用


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表面肌電圖在肌肉能評估中的應用

  (一)sEMG

  表面肌電圖(surface electromyography, sEMG),又稱動態肌電圖(dynamic electromyography ,DEMG),是從肌肉表面通過電極引導、記錄下來的神經肌肉系統活動時的生物電信號。它與肌肉的活動狀態和功能狀態之間存在著不同程度的關聯性,因而能在一定程度上反映神經肌肉的活動。肌肉運動中產生的生物電通過兩個測量電極(相對于參考電極)產生電位差,差分放大器檢測到該信號后,經過放大、記錄后所得到的圖形,現代高檔的sEMG都是把放大的信號再轉化為數字信號,經過通訊系統傳輸給微機。微機中的分析軟件對所獲得的數據進行分析處理,從而完成測試評估等科研或臨床診斷任務。sEMG是一種簡單、無創、容易被受試者接受的肌電活動,可用于測試較大范圍內的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;不僅可在靜止狀態測定肌肉活動,而且可在各種運動過程中持續觀察肌肉活動的變化;不僅是一種對運動功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技術[1]。因而在臨床醫學的神經肌肉疾病診斷、高等院校人機工效學領域的肌肉工作的工效學分析,體育系統(體科所)疲勞判定、運動技術合理性分析、肌纖維類型和無氧閾值的無損傷性預測,醫院康復領域神經肌肉疾病診斷,肌肉功能評價等高等方面均有重要的實用價值[2]。

  (二)sEMG常用分析指標

  1.頻域分析

  分析方法是對sEMG信號進行快速傅立葉轉換(FFT),獲得sEMG信號的頻譜或功率譜,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指標進行分析,即平均功率頻率(mean power Frequency,MPF)和中位頻率(Median Frequency ,MF)。M F斜率已經被用作一個在維持等長收縮過程中的疲勞度指數。在肌肉疲勞過程中可出現以下生理現象: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的生理現象進行測定。S E M G 通過快速頻譜分析程序可獲得有關疲勞( 或耐力測試) 的指標[4]。

  此外,sEMG的FFT頻譜曲線并非呈典型的正態分布,因而從統計學角度而言,使用MF刻畫sEMG的頻譜特征的變化要優于MPF,但在具體實踐中人們發現,在反映肌肉的活動狀態和功能狀態上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,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。

  積分肌電是指所得肌電信號經整流濾波后單位時間內曲線下面積的總和,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信號的電功率相關,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目。

  3.幅頻聯合分析(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而產生的肌電信號變化的類似現象。

  4.小波分析法

  小波分析法[8]是一種把時域和頻域結合起來的分析方法,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。通過適當的小波變換對于不同功能狀態下的肌電信號,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,可以實現信號的時變譜分析,可以在任意細節上分析信號,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工具。

  (三)sEMG在肌肉功能評估應用中的研究現狀

  1.臨床上利用sEMG評價神經肌肉病損

  肌電圖學是神經電生理檢測的重要組成部分。對肌肉的檢測可用于區分神經源性和肌源性損害以及損害的程度并可進行新生電位和功能的檢測,從而為臨床提供準確詳細的客觀依據,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不良、多發性肌炎、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系是:肌肉隨靜力收縮時用表面電極測定的肌電積分值與肌肉強力之間呈正相關; 肌電積分值與肌張力呈正相關[9]。所以表面肌電圖可用于評估治療患者受損神經肌肉功能的變化狀況及與健側的差異,而且可用于觀察治療前后患側神經肌肉功能的進步情況并據此制定和調整下一步的治療方案[10]。此方案在康復醫學神經肌肉疾病導致的功能障礙進行肌力、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)神經肌肉接頭疾病:重癥肌無力、肌無力綜合癥。

  EMG重復電刺激衰減波現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,必須結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持續性收縮,肌肉萎縮后肌電功率譜發生相應改變.sEMG為肌肉萎縮的無創檢測提供一種新的方法。例如肌電圖的神經傳導速度異常是肌萎縮側索硬化(ALS)的診斷標準之一,CMAP波幅/DML×F 波的出現率是一種有效的客觀的電生理指數,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輔助診斷腰背部疾患評估椎旁肌功能。在手術、外傷、頸肩腰腿痛及其他肌肉功能障礙情況下,通過潛在的肌電信號改變確定肌肉的功能障礙、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合,協助診斷和評定各種影響骨骼肌功能的情況,如與視頻圖像結合可較好地對某些日常活動功能的動作進行分析;與步態分析系統結合,分析異常步態的肌電活動情況;與同步攝像系統結合對照研究,有助于分析并糾正各種異常步態;與平衡測試訓練儀和等速測試系統配合使診斷更為明確。

  (5)其他疾病的肌病等。

  現代S E M G 測試系統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。也可用特殊電極,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醫學還是體育科研都有重要意義,1975年Petrofsky等提出,肌肉疲勞時肌電功率譜中心頻率(CF)由高頻向低頻轉移,當疲勞致使工作停止時,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移,并與肌肉疲勞有較好的相關性。最大收縮力(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的最大H波與最大M波振幅比率明顯降低,這種現象說明肌肉疲勞發生過程中的脊髓運動神經元興奮性受到抑制,而脊髓運動神經元興奮性的降低則可能是導致肌肉疲勞發生的重要因素。通過sEMG和eEMG比較分析,肌纖維活動電位的異常、神經肌肉接頭部傳導不全、脊髓運動神經元興奮性低下等因素的共同作用,是導致肌肉疲勞發生的重要原因。

  “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生和發展,iEMG和RMS線形增加,并以此評價肌肉的工作性能。Matsu-moto等通過對21名女大學生受試者的研究發現,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,各級運動時iEMG曲線的斜率與負荷強度間呈直線相關,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還是靜態運動,一般情況下,隨著運動肌疲勞的發生和發展,表面肌電信號的FFT曲線可以發生不同程度的左移現象,并且導致反映頻譜曲線特征的MPF和MF產生相應的下降,并以此利用sEMG判斷肌肉的功能狀況。有關sEMG功率譜左移原因,有學者在探討肌肉疲勞過程中sEMG功率譜變化與H+的關系時發現,肱二頭肌在以60%MVC靜態疲勞負荷過程中MPF呈線性下降.在疲勞負荷后的恢復期,MPF恢復極其迅速,運動結束后僅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功率譜左移的唯一因素,提示sEMG功率譜左移可能與神經源性的中樞機制的作用有關。

  3.利用sEMG評價肌肉力量及肌肉活動的協調性

  sEMG為體育科學的研究提供了重要的依據與評價方法,它可以在運動過程中間接測定肌肉力量,也可以進行運動技術分析。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對三種下蹲動作進行三次元解析。考察采用普通下蹲姿勢、寬足間距下蹲姿勢、髖關節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生的影響,從生理和力學的角度進行分析。得出結論:采用髖關節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爆發力有效。

  4.利用sEMG預測肌纖維類型

  sEMG信號是一定范圍內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,或與Ⅱ型纖維比例呈正相關。大多數學者的研究結論是,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因兼備非損傷性、局部性、實時性等優點,為臨床康復醫學、體育科學等領域的研究提供了重要的依據與評價方法,隨著計算機應用及科技的日新月異,肌電診斷檢查技術也會不斷更新,其應用范圍將會更加廣泛。(轉載)


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