功能性不稳踝关节肌肉疲劳过程中肌电的瞬时中值频率变化研究

张秋霞,张 林

功能性不稳踝关节肌肉疲劳过程中肌电的瞬时中值频率变化研究

张秋霞,张 林

目的:通过对肌肉疲劳过程中功能性不稳踝关节表面肌电瞬时中值频率(IMDF)的变化特征进行分析,为功能性踝关节不稳的防治提供依据。方法:选取两组共28名受试者:功能性不稳组(FAI组)14名,对照组14名。对于两组踝关节肌电IMDF的变化,采用方差分析进行对比分析。结果:肌肉疲劳过程中,1)比目鱼肌以及腓肠肌外侧头IMDF的变化在两组之间的差异有统计学意义(P<0.05);2)FAI组比目鱼肌、腓肠肌外侧头IMDF未随时间出现统计学上的差异(P>0.05)。结论:1)疲劳过程中,FAI组比目鱼肌和腓肠肌外侧头的IMDF不随时间发生变化;2)功能性踝关节不稳组的受试者中枢控制策略可能发生改变,功能补偿能力存在不足。

功能性踝关节不稳;局部肌肉疲劳;表面肌电;瞬时中值频率

Rahnama等[36]对高水平足球运动员的调查研究中指出,在比赛的最后15min,扭伤风险是最高的,并指出疲劳会增加踝关节扭伤发生的几率。有部分研究报道,由于表面肌电(sEMG)反映运动单位活动情况,sEMG和相对峰值力矩的变化可以反映其神经肌肉的控制机制,中枢和外周疲劳机制影响sEMG信号,而sEMG的分析方法也会影响其分析结果[30];也有研究指出,神经肌肉活动与膝关节损伤有关,前交叉韧带缺陷[5,11,20,41,44,45]、髌腱末端病[3]改变了肌力平衡和肌电活动模式。但很少有将局部肌肉疲劳过程中神经肌肉控制在功能性不稳组和对照组踝关节之间进行比较,本研究通过对最大等速向心收缩至局部肌肉疲劳过程中,功能性不稳组和对照组踝关节肌群表面肌电的瞬时中值频率变化特征进行对比分析,探讨局部肌肉疲劳过程中功能性不稳踝关节神经肌肉控制情况。

1 实验对象与方法

1.1 实验对象

采用横断面实验性研究,选取14名有单侧功能性踝关节不稳的受试者为实验组(FAI组),根据功能性踝关节不稳组受试者的年龄、形态学指标、训练项目和运动成绩等匹配14名无踝关节伤病的受试者作为对照组。对FAI组患侧和对照组匹配侧的表面肌电信号进行采集和分析(表1)。踝关节功能性不稳的判断标准依Kaminski等[27]所述,满足以下5个条件:1)过去1年内,单侧踝关节至少有一次明显的踝关节外侧韧带扭伤,导致此脚无法承重,或者需要使用拐杖;2)下肢并无重大伤害且踝关节不会有骨折的情形发生;3)患侧脚持续至少一次重复性扭伤或者曾经有踝关节有不稳定的感觉或是无力感的情形;4)受伤的脚踝接受过正式或非正式的康复治疗;5)前拉测试未发现有明显的结构上不稳定的情形。所有受试者自愿参与实验且6个月之内未出现除了踝关节之外的下肢疾患,过去3个月之内未出现踝关节疾患,在实验时身体健康,无神经和肌肉病症,无视觉和前庭功能障碍,无体弱和影响运动功能的全身性疾病,踝关节活动度正常。所有受试者实验前24 h无剧烈运动,被测肌肉无不良症状,配合良好。

表1 本研究受试者基本情况一览表±SD)

表1 本研究受试者基本情况一览表±SD)

年龄(岁)身高(cm)体重(kg) FAI组20.8±1.1180.0±4.671.6±9.8对照组21.4±1.2181.1±6.571.3±7.1

1.2 主要实验器材

本研究主要采用瑞士CON-TREX公司多关节等速力量测试与训练系统和biovision多导运动生物电记录分析系统同步采集踝关节的关节角度和胫骨前肌、比目鱼肌、腓肠肌外侧头和腓肠肌内侧头的表面肌电信号(图1)。

图1 力矩、角度、速度和表面肌电信号的同步采集流程示意图

1.3 实验方法与步骤

1.3.1 表面肌电(sEMG)信号的采集

剔除受试者测量部位的体毛后,用细砂纸轻擦皮肤表面去除角质,用医用酒精清除油脂。采用双电极法记录,以减少皮肤电阻和电极移动对肌电图信号的影响。探测电极相距3cm置于胫骨前肌(Tibialis Anterior,TA)、比目鱼肌(Soleus,SO)、腓肠肌内侧头(Medial Head of Gastrocnemius,GAM)和腓肠肌外侧头(Lateral Head of Gastrocnemius,GAL)的肌腹部位最丰满处稍偏下方,记录电极与参考电极两电极中心连线方向与采样肌肉纤维的长轴方向平行,两电极中心间距为20mm,接地电极(the ground electrode)置于踝关节的外踝点。受试者表面电极与导联线的固定方法:粘贴好电极,理顺电极的线圈,医用胶布固定好线圈及导联线。

图2 表面肌电电极安放位置示意图

采用dasylab 9.0软件进行表面肌电信号的采集,采样率为1 000 Hz,表面肌电的放大器设为×1 000,所有肌电信号均采用10～490 Hz带通滤波。

1.3.2 实验步骤

1.3.2.1 实验前的准备

1)安排受试者先熟悉等速力量测试系统和测试环境; 2)进行身高、体重及下肢形态学指标的测试;3)做准备活动:在功率自行车上以转速为60 r/min、负荷为25 W的情况下骑5 min,骑完功率自行车后做一些下肢的伸展运动; 4)受试者休息5 min,同时,贴表面肌电的电极。

1.3.2.2 踝关节局部肌肉疲劳过程中的指标测试

肌肉疲劳测试采用速度为60的等速运动下的等速向心/向心模式。肌肉疲劳测试步骤如下:让受试者反复持续地尽最大努力做跖屈-背屈交替收缩的动作。记录在整个踝关节运动范围内进行的肌肉收缩中,经重力修正后的峰值力矩。认定最初3次的峰值力矩最大值作为本次测试的最大随意收缩力量(maximal voluntary contraction, MVC)。疲劳的判断标准为:踝关节跖屈和背屈力矩连续3次下降至50%MVC以下[15,24-26,42,46]。本研究的所有实验采用单盲法进行,在以上所有测试的过程中都要求受试者尽最大努力,并经常性地给予口头鼓励。测试结束后,叮嘱受试者进行伸展及放松运动。

1.4 信号处理和指标计算

sEMG的分析方法:sEMG经去噪滤波(10～490 Hz的Butterworth带通滤波)和全波整流后,取每次等速运动的常速阶段进行肌电分析,这样可以避免运动的加速和减速阶段(图3)[13,16]。

图3 表面肌电的截取方法示意图

瞬时中值频率(instantaneous median frequency,IMDF):本研究中,对截取的信号采用3层db2小波分解,计算基于时频分布的瞬时中值频率。其中,P(t,f)为信号的时频分布。

1.5 数据的统计处理

所有数据的整理、分析使用软件Microsoft Excel 2003、PASW Statistics 18.0、matlab2007a、dasylab8.0以及origin8.0结合进行,各参数在图形中以均值±标准误± SE)表示。本研究的所有运动时段是将对总时间进行标准化后的相对时间,每隔10%取连续3次的最大峰值力矩,对其进行相应的肌电信号进行分析。所有力矩和肌电指标均对初始值进行标准化,以下所有的分析中均是就标准化后的值进行的。

对于两组踝关节局部肌肉疲劳疲劳过程中胫骨前肌、比目鱼肌、腓肠肌内侧头和腓肠肌外侧头sEMG的IMDF变化情况比较,采用2×4×11[组别(FAI组和对照组)×肌肉(胫骨前肌、比目鱼肌、腓肠肌内侧头和腓肠肌外侧头)×运动时段]混合多元方差分析。其中,运动时段、肌肉均为被试内因素,组别为被试间因素。检验水准α均选0.05,P<0.05表示差异有统计学意义。在球形检验中,如果球形假设分布不成立(P<0.05),单变量分析就采用校正结果。

2 结果

踝关节局部肌肉疲劳过程中sEMG的IMDF变化情况见图4,随着运动时间的延长,对照组所有肌肉表面肌电的IMDF均呈减小趋势;FAI组背屈肌(胫骨前肌)表面肌电的IMDF呈减小趋势,但跖屈肌(比目鱼肌、腓肠肌内侧头和腓肠肌外侧头)表面肌电的IMDF变化趋势不明显。

图4 踝关节局部肌肉疲劳过程中的IMDF变化曲线图

踝关节肌群最大等速向心收缩至疲劳过程中,对sEMG的IMDF方差分析(表2)表明:两组踝关节肌肉sEMG的IMDF随着时间变化差异有统计学意义(P< 0.05),不同肌肉sEMG的IMDF随着时间的变化差异也有统计学意义(P<0.05)。运动时段与组别、肌肉与运动时段的交互效应均有统计学意义(P<0.05),但肌肉与运动时段的交互效应在FAI组和对照组上是相似的(P> 0.05)。

由于IMDF在运动时段与组别的交互效应有统计学意义(P<0.05),因此,继续进行简单效应的分析(表3至表5)。

各运动时段各肌肉的IMDF在两组踝关节之间差异的简单效应分析(表3)显示:在局部肌肉疲劳的整个过程中,胫骨前肌和腓肠肌内侧头不同运动时段的IMDF在两组踝关节之间的差异均无统计学意义(P>0.05),但不同运动时段比目鱼肌以及腓肠肌外侧头的IMDF在两组踝关节之间差异有统计学意义(P<0.05);对两组踝关节之间差异有统计学意义的部分继续进行分析(表4),比目鱼肌的IMDF在运动至80%运动时段开始与初始值出现统计学上的差异(P<0.05),而腓肠肌外侧头的IMDF在运动至90%运动时段开始与初始值出现统计学上的差异(P <0.05)。对两组踝关节各肌肉的IMDF在不同运动时段差异进行简单效应分析(表5),发现对照组的踝关节肌肉IMDF随着时间变化都会发生与初始值有统计学意义的差异(P<0.05)的现象,而FAI组的踝关节比目鱼肌、腓肠肌外侧头IMDF在不同运动时段上并未出现统计学上的差异(P>0.05)。加可能会降低α运动神经元的灵敏度,导致运动单位放电频率的降低,运动单位放电的同步化程度增强[8,9,33]。IMDF是基于小波变换的瞬时中值频率,从原始肌电推导出的频域指标能够反映肌肉疲劳的状态,在正常情况下,这主要是肌肉组织中的快肌纤维和慢肌纤维比例不同造成频域特征的差异[2],快肌纤维主要以高频电位为主,而慢肌纤维主要以低频电位为主。疲劳时频谱左移,这主要是由于:第一,持续运动时,ATP大量消耗,快肌纤维易疲劳,快肌纤维百分比多的受试者,肌肉疲劳的发展越明显越快速[28,40],而很多的慢肌纤维的运动单位被募集;第二,疲劳时为了达到较大的力量而导致运动单位兴奋的同步化程度提高[23];第三,疲劳时肌内压升高,代谢物积累,引起肌膜兴奋性降低,导致肌纤维传导速度降低,其中,前两个因素为疲劳的中枢机制,最后一个是疲劳的外周机制[7]。

表2 踝关节局部肌肉疲劳过程中sEMG的IMDF变化的方差分析一览表

本研究中对照组的所有肌肉的IMDF都随着疲劳的发生有减小趋势,这符合运动性肌肉疲劳的中枢和外周机制。但FAI组的比目鱼肌和腓肠肌外侧头的IMDF随着时间并没有发生显著性变化。

表3 踝关节各肌肉的IMDF在两组间差异的简单效应分析一览表

表4 各运动时段ＳＯ和GALlery的ＩＭＤＦ在两组间差异的简单效应分析一览表

表5 踝关节各肌肉的IMDF不同运动时段间差异的简单效应分析一览表

3 分析与讨论

将关节的生物力学指标对初始值进行标准化,这种方法,在关于肌肉的肌电[6,12,21]和关节的运动学[18,31]和动力学[21]的研究中已有报道,对这种方法获得的数据不考虑指标的初始值,使得不同关节、不同肌肉的比较成为可能。

由运动导致的肌肉力量的临时下降是一个复杂的过程,但力矩的下降已经成为衡量局部肌肉疲劳的标准[43],因此,本研究将踝关节跖屈背屈最大等速峰值肌力矩连续3次下降至50%MVC以下作为局部肌肉疲劳的判定标准。神经肌肉疲劳的定量研究是通过肌电来进行的,肌电取决于运动单位的放电频率、运动单位动作电位的形状和数目,以及这些运动单位动作电位的同步程度。sEMG是源于大脑皮层控制之下的脊髓α运动神经元的生物电活动,脊髓的集合中心根据来自腱器官的传入信号提供的力信号的反馈,在肌肉的协同收缩至疲劳的整个过程中,对输入信号的幅度进行调整,导致各肌肉对总力矩值的贡献发生变化,来自III型和IV型神经纤维的反射性抑制的增

首先,踝关节扭伤是在外力作用下,关节骤然向一侧活动而超过其正常活动度时,引起关节周围软组织如关节囊、韧带、肌腱等发生撕裂伤,可能是由于在这种情况下,快肌纤维比慢肌纤维的肌小节更易出现损伤[1]。而且,当足跖屈时,踝关节不稳定,踝关节扭伤后,对韧带和肌肉肌腱造成了破坏,腓肠肌和比目鱼肌穿过踝关节,可能会在扭伤时受到破坏;同时改变了跖屈肌肉的募集方式,完成跖屈动作时产生较小的动作电位,功能性不稳踝关节比目鱼肌存在关节源性肌肉抑制[22],长此以往,功能性不稳踝关节周围肌肉有选择性的II型肌纤维萎缩[37],从而使踝关节周围肌群I型纤维比例相对较高,导致其在同样速度运动的情况下,达到50%MVC的时间延长。另外,II型肌纤维比例较高者,更容易疲劳[14,17,19,34,35],这是由于更易造成乳酸积累,这样,关节运动至肌肉疲劳过程中肌肉的pH值降低更多[38,39],而且,Brody等[10]研究指出,随着肌肉pH值的降低,频谱和传导速度会发生更大的变化,因此,较少比例的II型肌纤维可能会由于较小的pH值的变化而导致sEMG的IMDF的较小变化。

其次,肌肉疲劳会导致中位频率的下降是已经被大家广为接受的观点[32],而本研究的结果表明,FAI组的比目鱼肌和腓肠肌外侧头并没有明显的疲劳迹象。sEMG是肌肉协同活动变化的标志,比目鱼肌(慢肌)和腓肠肌(偏向于快肌)在不同的速度下,存在补偿机制[29]。本研究中的FAI组sEMG的IMDF的结果并没有体现这一点,这说明,功能性不稳的踝关节肌肉协同活动能力较差,功能补偿机制存在缺失。王健等[4]实验发现,一个先前通过运动诱发疲劳的主动肌在活动性质快速转变为拮抗肌的瞬间,其MPF等sEMG信号特征将产生明显的跃变,而不继续保持其在疲劳时的状态,指出运动负荷诱发局部肌肉疲劳过程中主动肌MPF的单调递减不完全是该肌肉代谢性酸中毒作用的结果,而是在很大程度上反映中枢运动控制策略的变化,其可能的中枢控制策略是中枢神经系统将主动肌与拮抗肌作为一组控制肌群实施同步控制,本研究中的FAI组踝关节的比目鱼肌和腓肠肌外侧头的IMDF随着时间并没有发生显著性的变化,可能就是功能性踝关节不稳的受试者中枢控制策略发生了改变,功能补偿能力存在不足。

4 小结

1.正常对照组踝关节肌肉最大等速向心收缩至疲劳过程中,各肌肉sEMG的IMDF均有减小趋势。

2.功能性不稳组的踝关节肌肉最大随意向心收缩至疲劳过程中,比目鱼肌和腓肠肌外侧头的IMDF不随时间发生变化。

3.功能性踝关节不稳组的受试者中枢控制策略可能发生改变,功能补偿能力存在不足

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Electromyography Instantaneous Median Frequency Alternations during the Local Muscle Fatigue of the Ankle with Functional Instability

ZHANG Qiu-xia,ZHANG Lin

Objective:Changing of instantaneous median frequency(IMDF),based on wavelet transformation,during the ankle’s maximal isokinetic concentric fatigue,was analyzed,in order to provide the basis for the prevention from and treatment on functional ankle instability. Methods:The ankles of 28 males(unilateral functional ankle instability group—FAI group:n =14,control group:n=14)were tested.The IMDF was normalized to the initial value.Repeated measures analysis was performed to compare the normalized IMDF between the two groups.Results:1)During the ankle’s maximal isokinetic concentric fatigue,there is significant difference between the two groups for the IMDF of the sEMG,not in anterior tibial and gastrocnemius medial(P>0.05),but in the soleus and gastrocnemius lateral head(P<0.05); 2)IMDF of anterior tibial and medial head of gastrocnemius muscle for the FAI group,was different from the initial(P<0.05).But for the control group,IMDF of sEMG was different from the initial(P>0.05).Conclusions:1)During the ankle maximal isokinetic concentric fatigue,IMDF is time-dependent for the muscles of the control group,for the anterior tibial muscle and gastrocnemius medial head of the FAI group;but it is time-independent for the soleus and gastrocnemius lateral head of the FAI group;2)Central motor control strategy for the FAI group was probably different from that for the control group.There was lack of functional compensation ability.

functional ankle instability;local muscle f atigue;sEMG;instantaneous median f requency

G804.6 文献标识码:A

1000-677X(2010)09-0049-06

2010-08-08;

2010-08-31

张秋霞(1972-),女,江苏人,副教授,博士,硕士研究生导师,主要研究方向为运动生物力学、体育测量与评价,E-mail:zqxxqa@qq.com;张林(1956-),男,山东人,教授,博士,博士研究生导师,主要研究方向为运动人体科学, E-mail:zhanglin001@suda.edu.cn。

苏州大学体育学院,江苏苏州215021 Soochow Uiversity,Suzhou 215021,China.