正常成人咀嚼肌表面肌电图的参数分析

2011-12-01王邦安汪萌芽

皖南医学院学报 2011年5期

杨超，王云，王邦安，汪萌芽

(皖南医学院 1.细胞电生理研究室;2.口腔修复教研室，安徽芜湖 241002)

表面肌电图(surface electromyography，sEMG)又名动态肌电图(dynamic electromyography)，是一种安全、简单、无创伤的肌肉功能状态检查手段，已在运动医学、康复医学、生物力学等多个领域得以应用［1，2］。咀嚼肌的sEMG也在口腔颌面部肌功能检查中应用了几十年，主要集中在全口义齿修复评价、正畸前后咀嚼肌功能的改变、颞下颌关节病的诊断和治疗等方面，通常以峰值分析、平均幅值为sEMG参数的分析方法，而对这些参数反映咀嚼肌功能的代表性仍观点不一［3～5］，特别是对 sEMG 进行各参数的综合性分析和比较少有报道。本研究通过记录正常牙合成人下颌不同运动状态时咀嚼肌sEMG，分别进行sEMG的时域分析和频域分析，并对各参数反映咀嚼肌功能状态的情况加以比较，以探讨sEMG参数综合性分析的临床价值。

1 材料与方法

1.1 测试对象随机抽取10例本校口腔医学专业正常牙合成人作为研究样本，其中男性4例，女性6例，年龄(20.2±0.9)岁。正常牙合纳入标准:牙齿排列整齐无间隙，磨牙关系中性，前牙覆牙合覆盖正常，中线一致。面部左右对称，无不良口腔习惯，无正畸治疗史，无神经肌肉系统疾病，下颌运动正常，咀嚼肌无压痛，双侧髁状突运动基本对称，无弹响，开口度37～45 mm，开口型“↓”。

1.2 仪器澳大利亚AD Instruments公司生产的PowerLab 8/30八通道多用途生理记录仪，配置成八通道肌电图记录和分析系统;丹麦Ambu公司产蓝点电极片(型号:N-00-S);绿箭口香糖等。

1.3 检测方法

1.3.1 测试部位左侧颞肌前束(LTA)、右侧颞肌前束(RTA)，左侧颞肌后束(LTP)、右侧颞肌后束(RTP)，左侧咬肌(LMM)、右侧咬肌(RMM)、左侧二腹肌前腹(LDA)、右侧二腹肌前腹(RDA)。

1.3.2 测试环境测试过程安静，无噪音及信号干扰。室温保持在22℃ ～25℃，湿度49% ～51%。

1.3.3 测试方法 ①受试者颅面部洁净，精神放松，端坐位，两眼平视前方，下颌成姿势位，眶耳平面与地面平行。②充分暴露测试部位，用75%乙醇擦拭皮肤。③电极贴放位置:受试者前额正中贴接地电极，记录电极与参照电极相距15～20 mm。颞肌前束位于眶耳平面上，由外耳孔上缘向前约6 cm，垂直向上约6 cm处;颞肌后束位于耳后乳突前上1.5 cm处;咬肌位于眶耳平面上，由外耳孔上缘向前约2.5 cm，垂直向下约6 cm，下颌角的前上方，二腹肌前腹位于下颌骨下缘近中线处。由于不同个体颅面部形态、大小有一定差异，因此电极贴放位置在坐标定点的基础上，再根据触扪相应肌肉收缩时的动度作适当调整，使电极贴在肌腹上。④表面肌电图记录时所设参数:采样速率2 k/s，采样量程1 mV，缩放比例 100∶1。

1.3.4 测试过程记录志愿者双侧颞肌前腹、双侧颞肌后腹、双侧咬肌、双侧二腹肌前腹分别处在下颌姿势位、前牙对刃、下颌最大前伸、双侧咀嚼、最大张口、吞咽后紧咬牙等动作时的肌电活动。

1.4 数据统计用PowerLab的Chart Pro 5软件(AD Instruments，Australia)进行肌电信号的原始图形数字化测量、参数分析，结果以±s表示。运用Origin5.0 软件(Microcal Software Inc.，USA)进行肌电信号的平均肌电值、峰值、平均幅值和幅值均方根的F检验，功率谱的中位频率、平均功率频率分析，以及功率谱图绘制。

2 结果

2.1 咀嚼肌sEMG的记录对10名正常牙合成人，同步记录双侧颞肌前腹、颞肌后腹、咬肌、二腹肌前腹，在下颌姿势位、前牙对刃、下颌最大前伸、双侧咀嚼、最大张口及吞咽后紧咬牙等动作状态的肌电活动。受试者吞咽后紧咬牙的咀嚼肌肌电图记录结果(左、右对比)见图 1，受试者 RDA，RMM，RTA，RTP在不同动作时咀嚼肌肌电图的记录结果见图2。

2.2 咀嚼肌sEMG的时域分析时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。

2.2.1 平均肌电值是一段时间内瞬间肌电图振幅的平均，是反映sEMG信号振幅变化的特征性指标，其变化主要反映肌肉活动时运动单位激活的数量、参与活动的运动单位类型以及其同步化程度，与不同肌肉负荷强度条件下的中枢控制功能有关。10例受试者在下颌不同运动状态下咀嚼肌sEMG的平均肌电值分析结果见表1，表明各咀嚼肌在下颌运动间的差异均有显著性意义(P＜0.05或 P＜0.01)，除姿势位、吞咽后紧咬牙外，下颌不同运动状态时咀嚼肌间差异亦具有显著性意义(P＜0.05或P＜0.01)。

2.2.2 峰值肌肉每次收缩时所能释放的最大能量的电信号值。反映了肌肉收缩的强度，是咀嚼肌做功的表现。10例受试者在下颌不同运动状态下咀嚼肌表面肌电图的平均峰值分析结果见表2，显示各咀嚼肌在下颌运动间的差异均有显著性意义(P＜0.05或 P ＜0.01)，除姿势位、吞咽后紧咬牙外，下颌不同运动状态时咀嚼肌间差异亦具有显著性意义(P ＜0.05或 P ＜0.01)。

表1 下颌不同运动状态时咀嚼肌表面肌电图的平均肌电值分析(μV，±s，n=10)Tab 1Mean EMG(AEMG)analysis of sEMG in masticatory muscles in separate jaw movements(μV，±s，n=10)

*P ＜0.05，＊＊P ＜0.01

姿势位前牙对刃下颌最大前伸咀嚼大张口吞咽后紧咬牙 F值RDA 11.57±4.73 26.72±17.76 24.43±12.53 53.41±44.25 104.10±53.51 21.33±12.75 13.97＊＊LDA 12.71±4.57 36.92±23.46 35.81±19.56 57.93±43.91 309.80±295.05 35.48±40.94 7.99＊＊RMM 9.46±2.44 15.46±6.21 15.47±7.00 37.07±18.51 141.08±113.97 18.36±4.32 11.1＊＊LMM 9.93±3.01 23.57±25.50 25.81±15.76 35.98±14.94 214.56±256.11 18.48±9.03 5.56＊＊RTA 9.09±2.97 15.52±6.50 14.40±8.81 23.37±14.84 41.20±24.38 18.77±6.74 9.60＊＊LTA 8.57±2.84 15.23±5.65 14.31±5.79 20.05±6.48 36.33±14.81 14.29±6.26 15.72＊＊RTP 12.52±3.62 19.82±14.81 22.17±17.26 29.36±13.37 44.24±38.04 18.84±12.33 2.54*LTP 11.89±3.86 17.82±10.12 21.58±7.19 32.04±22.22 50.17±23.40 17.51±13.62 6.06＊＊F 值 1.08 2.81* 4.53＊＊ 3.61＊＊ 5.33＊＊1.59

表2 下颌不同运动状态时咀嚼肌表面肌电图的峰值分析(μV，±s，n=10)Tab 2The spike analysis of sEMG in masticatory muscles in separate jaw movements(μV，±s，n=10)

*P ＜0.05，＊＊P ＜0.01

姿势位前牙对刃下颌最大前伸咀嚼大张口吞咽后紧咬牙 F值RDA 14.14±7.59 28.96±20.71 26.26±14.33 64.04±53.81 86.55±39.49 21.80±10.57 11.05＊＊LDA 16.51±12.78 43.97±43.07 37.87±21.24 69.92±56.87 208.97±228.72 28.47±25.38 4.91＊＊RMM 16.60±10.58 15.50±4.10 14.81±5.81 57.78±38.99 104.71±75.29 20.26±4.99 11.86＊＊LMM 14.26±14.58 24.87±27.90 25.55±15.26 47.17±21.02 182.52±232.95 19.93±8.38 4.57＊＊RTA 10.51±4.28 14.65±5.77 14.56±6.56 31.32±17.29 42.53±24.77 18.74±5.88 11.85＊＊LTA 10.72±3.39 14.25±4.68 14.30±5.38 23.90±9.36 36.45±15.22 14.78±6.89 14.89＊＊RTP 16.91±13.31 18.18±13.83 22.92±16.38 33.75±12.43 44.77±40.09 18.12±10.82 2.93*LTP 20.39±19.21 18.69±9.78 19.98±3.50 38.35±27.55 49.84±27.36 18.59±13.95 5.56＊＊F 值 0.91 2.71* 5.55＊＊ 3.38＊＊ 3.43＊＊1.15

2.2.3 幅值在时限范围内，最大负峰与最大正峰的幅度差。反映肌肉电信号的强度，及参与的运动单位数目。10例受试者在下颌不同运动状态下咀嚼肌表面肌电图的平均幅值分析结果见表3，显示除LDA外各咀嚼肌在下颌运动间的差异均有显著性意义(P＜0.05或 P＜0.01)，除姿势位、吞咽后紧咬牙、大张口外，下颌不同运动状态时咀嚼肌间差异亦具有显著性意义(P＜0.05或P＜0.01)。

2.2.4 幅值均方根在时限范围内，肌电图振幅平方平均的平方根，是放电有效值，取决于肌肉负荷性因素和肌肉本身的生理、生化过程之间的内在联系。10例受试者在下颌不同运动状态下咀嚼肌表面肌电图的幅值均方根分析结果见表4，显示各咀嚼肌在下颌运动间的差异均有显著性意义(P＜0.05或P＜0.01)，除姿势位、吞咽后紧咬牙、大张口外，下颌不同运动状态时咀嚼肌间差异亦具有显著性意义(P ＜0.05 或 P ＜0.01)。

表3 下颌不同运动状态时咀嚼肌表面肌电图的平均幅值分析(μV，±s，n=10)Tab 3The mean amplitude analysis of sEMG in masticatory muscles in separate jaw movements(μV，±s，n=10)

*P ＜0.05，＊＊P ＜0.01

姿势位前牙对刃下颌最大前伸咀嚼大张口吞咽后紧咬牙 F值RDA 13.04±6.88 26.12±15.66 23.55±13.10 94.39±84.92 71.81±45.08 19.11±6.65 8.42＊＊1.79 1.51 LDA 15.90±12.30 38.74±19.01 31.51±12.34 109.17±104.02 228.27±405.05 27.20±24.27 2.27 RMM 16.24±11.23 16.07±5.35 14.24±4.09 91.73±76.71 51.70±35.36 28.90±13.40 8.04＊＊LMM 13.68±13.13 20.39±7.032 15.44±5.10 71.71±37.85 252.95±463.94 23.65±9.75 2.52*RTA 9.64±4.31 12.20±5.91 12.59±4.87 46.49±22.43 34.56±20.49 23.16±11.15 18.78＊＊LTA 10.31±3.76 11.98±4.80 13.59±6.49 32.25±19.59 43.70±33.07 22.11±10.76 7.84＊＊RTP 16.67±13.98 13.18±3.56 13.22±4.36 39.13±13.92 30.34±27.41 16.88±7.16 6.77＊＊LTP 20.42±19.40 13.33±3.66 16.32±8.39 54.74±48.30 41.35±51.65 17.45±4.79 4.28＊＊F 值 2.00 10.61＊＊ 9.48＊＊ 3.32＊＊

表4 下颌不同运动状态时咀嚼肌表面肌电图的幅值均方根值分析(μV，±s，n=10)Tab 4The root mean square(RMS)analysis of sEMG in masticatory muscles in separate jaw movements(μV，±s，n=10)

*P ＜0.05，＊＊P ＜0.01

姿势位前牙对刃下颌最大前伸咀嚼大张口吞咽后紧咬牙 F值RDA 6.98±4.46 20.66±14.40 17.35±11.38 69.44±64.71 101.34±93.99 13.65±6.09 7.94＊＊LDA 7.49±4.06 29.66±21.74 26.72±17.52 75.44±76.23 308.98±516.86 19.70±19.77 2.87*RMM 5.60±2.49 11.84±4.64 9.24±3.11 63.31±39.46 101.16±91.06 19.13±8.96 8.96＊＊LMM 5.49±2.18 15.93±17.49 9.28±3.78 61.80±43.15 379.04±649.95 15.10±8.71 3.08*RTA 4.58±1.38 9.83±3.88 7.98±4.06 38.02±17.80 34.77±22.78 13.75±7.98 18.09＊＊LTA 4.81±1.79 8.74±5.49 12.67±11.35 27.84±16.70 41.93±29.26 13.87±3.51 9.34＊＊RTP 6.48±2.14 8.52±3.58 8.86±2.12 32.86±11.49 43.21±61.53 10.72±5.40 3.63＊＊LTP 7.24±2.59 10.77±4.79 15.65±19.31 38.41±30.66 49.82±71.61 9.55±3.28 3.66＊＊F值 1.90 5.17* 3.76＊＊ 2.81*2.09 1.56

2.3 咀嚼肌sEMG的频域分析频域分析是评价肌肉疲劳度的常用指标。频域信号是将时域信号通过快速傅里叶转换(fast Fourier transform，FFT)得出的，常以平均功率频率(mean power frequency，MPF)和中位频率(median frequency，MF)进行参数分析。

2.3.1 咀嚼肌sEMG的平均功率频率和中位频率所测咀嚼肌sEMG的平均功率频率(表5)和中位频率分析参数(表6)在左右侧之间的差异无显著意义(P＞0.05)，咀嚼肌在行使不同动作时的平均功率频率和中位频率均有显著性差异(P＜0.05或P＜0.01);除平均功率频率在姿势位和吞咽后紧咬牙时，以及中位频率在咀嚼和吞咽后紧咬牙时各咀嚼肌间无显著差异(P＞0.05)外，其他各个动作时咀嚼肌间均有显著性差异(P＜0.05或P＜0.01)。

表5 咀嚼肌表面肌电图经快速傅里叶转换后的平均功率频率分析(Hz，±s，n=10)Tab 5The MPF analysis of sEMG in masticatory muscles in separate jaw movements after FFT(Hz，±s，n=10)

*P ＜0.05，＊＊P ＜0.01

姿势位前牙对刃下颌最大前伸咀嚼大张口吞咽后紧咬牙 F值RDA 120.81±9.22 115.92±16.21 126.47±13.59 127.20±10.02 147.43±10.87 126.13±11.57 12.66＊＊LDA 127.99±9.15 119.31±19.14 15.84±15.84 122.78±11.09 149.63±8.26 129.36±16.21 7.64＊＊RMM 121.62±10.78 115.14±17.32 123.68±16.59 111.93±16.86 155.58±7.39 107.46±13.10 21.13＊＊LMM 122.30±8.76 120.03±12.28 119.74±13.35 119.22±12.37 156.16±6.42 108.53±17.48 24.23＊＊RTA 120.05±16.09 121.75±20.70 122.40±11.47 107.99±14.89 143.70±9.52 104.42±12.22 9.66＊＊LTA 121.38±14.05 124.08±12.84 119.15±13.65 106.71±13.63 142.11±14.00 109.48±8.78 10.16＊＊RTP 118.62±9.32 122.93±16.39 123.60±13.76 123.24±11.09 144.91±9.91 113.23±12.62 10.49＊＊LTP 120.84±8.49 130.61±13.87 125.44±16.33 122.76±12.44 145.98±8.34 118.57±10.38 7.70＊＊F 值 0.74 1.27* 0.40 5.31＊＊ 4.55＊＊ 6.22＊＊

表6 咀嚼肌表面肌电图经快速傅里叶转换后的中位频率分析(Hz，±s，n=10)Tab 6The MF analysis of sEMG in masticatory muscles in separate jaw movements after FFT(Hz，±s，n=10)

＊＊P＜0.01

姿势位前牙对刃下颌最大前伸咀嚼大张口吞咽后紧咬牙 F值RDA 21.29±2.10 24.41±2.95 25.39±2.60 20.80±1.22 28.42±4.05 24.02±2.17 11.89＊＊1.80 LDA 22.36±3.17 21.00±3.26 20.80±3.51 21.00±3.30 28.71±4.12 23.34±1.34 15.99＊＊RMM 21.29±2.10 26.3672±2.64 25.68±2.06 19.23±2.06 29.61±4.24 24.71±2.84 12.36＊＊LMM 23.93±2.12 22.56±2.74 20.61±4.00 19.92±2.65 30.37±3.07 24.51±1.98 16.97＊＊RTA 20.80±2.44 21.48±2.35 21.97±3.10 19.43±3.52 25.00±3.45 22.56±2.78 3.76＊＊LTA 20.31±2.94 21.48±2.64 21.30±2.68 20.31±4.19 25.29±3.81 22.36±2.89 5.76＊＊RTP 20.70±2.72 24.12±2.99 21.78±2.69 20.12±2.40 26.37±3.65 22.36±3.07 8.41＊＊LTP 20.12±1.47 21.58±3.17 21.00±3.66 19.04±3.97 26.37±2.30 22.56±3.43 7.85＊＊F 值 3.34＊＊ 5.67＊＊ 4.61＊＊ 0.83 3.85＊＊

图1 吞咽后紧咬牙时咀嚼肌表面肌电图的左右对比DA:二腹肌前腹;MM:咬肌;TA:颞肌前束;TP:颞肌后束Fig 1 The typical recordings of sEMG of masticatory muscles during maximum clenching after swallowingDA:anterior digastric muscle;MM:masseter muscle;TA:anterior temporalis muscle;TP:posterior temporalis muscle

图2 右侧咀嚼肌在下颌不同动作时的表面肌电图Fig 2 The typical recordings of sEMG of right masticatory muscles in separate jaw movements

2.3.2 咀嚼肌sEMG的功率谱分析肌电信号的有用能量在0～500 Hz的频率范围，主要集中在50～150 Hz的范围。本实验将sEMG的信号经过快速傅里叶转换(FFT)后，显示功率谱集中在低频段0～100 Hz，而且前牙对刃、下颌最大前伸、咀嚼、吞咽后紧咬牙时均有肌电信号募集现象。募集现象(amplitude of recruitment)是在肌肉收缩时，引起多个运动单位同时进行放电所产生的现象。因此可以认为功率谱分析能明确反映肌肉在不同状态下的电活动情况。图3显示的是受试者右侧各咀嚼肌在吞咽后紧咬牙时的咀嚼肌功率谱图(原始记录见图3)。

3 讨论

sEMG信号源于大脑运动皮质控制下的运动神经元的生物电活动，形成于众多外周运动单位电位在时间和空间上的总和，经表面电极引导、放大、显示和记录所获得的一维电压时间序列信号，是一种不稳定的、非线性电信号。对肌电图用不同方法进行分析，各参数可能会反映肌肉运动的不同特点［6～8］。由于表面电极与针刺电极不同，它所记录到的是由肌肉的多个运动单位同时活动产生的电信号，检测易受到多种客观因素的影响，故有学者对sEMG的真实性和可靠性产生了怀疑［9］。事实上，无论sEMG是否受到干扰因素的影响，其中含有反映肌肉电活动状态的肌电信息是无可置疑的。另外，无论是表面电极记录还是针刺电极记录，由于肌电活动总伴随着肌肉的收缩活动，必然会对记录产生一定的干扰，所以要完全排除干扰也是不可能的。因此，如何进行高保真的肌电信息提取和分析才是解决问题的关键。

图3 吞咽后紧咬牙时右侧各咀嚼肌表面肌电图功率谱图Fig 3 Power spectrum of sEMG of right masticatory muscles in maximally clenching after swallowing

从本研究的初步结果可以看出，同一sEMG通过不同的分析方法所得到的参数，对肌肉功能状态的代表性不同，仅从单一的角度进行分析所得到的结果或许并不客观。正如测试结果显示除LDA在平均幅值分析无显著差异(P＞0.05)外，咀嚼肌在行使不同动作时的平均肌电值、峰值、平均幅值和幅值均方根均有显著性差异(P＜0.05或P＜0.01)，除在姿势位和吞咽紧咬牙时各咀嚼肌的平均肌电值、峰值、平均幅值和幅值均方根，以及大张口时平均幅值和幅值均方根咀嚼肌间无显著性差异(P＞0.05)外，其他各个动作时咀嚼肌间均有显著性差异(P＜0.05或P＜0.01)。由此可见，咀嚼肌在完成不同动作时，肌纤维处于不同的收缩和舒张状态，因此呈现不同的放电情况。当遇到运动幅度较小的姿势位或各咀嚼肌处于高强度收缩状态的吞咽后紧咬牙动作时，肌肉的运动强度及承担负荷的变化不明显，所以当参与的运动单位之间的咀嚼肌变化幅度较小时，肌肉之间肌电信号的差异就不显著了。由于大张口动作需要多块肌肉的协同作用才能完成，在运动过程中每块肌肉所处的收缩强度、承受的负荷均有所不同，但该动作时处于收缩或舒张状态下的开颌肌和闭颌肌的有效放电量差异性较小，故平均肌电值和平均峰值则呈现显著性差异，而平均幅值和幅值均方根均无显著性差异。因此，时域分析时多种分析方法相结合，能更为全面地反映咀嚼肌在不同状态下肌肉的放电情况。但在下颌行使不同动作对LDA进行平均幅值分析结果提示右侧有显著性差异，而左侧无显著性差异，其原因还有待于进一步研究。

咀嚼肌的运动过程是受到反馈性调节的，并且在运动过程中存在肌肉间的协同作用［10，11］。因此在收缩的过程中肌肉的疲劳度就会有所改变。如测试结果中的MF、MPF及功率谱的绘制均反映了sEMG信号在不同频率分量的变化。咀嚼肌在行使不同动作时的平均功率频率和中位频率均有显著性差异(P＜0.05或P＜0.01);除平均功率频率在姿势位和下颌最大前伸时及中位频率在咀嚼和吞咽后紧咬牙时咀嚼肌间均无显著性差异(P＞0.05)外，其他各个动作时咀嚼肌间均有显著性差异(P＜0.05或P＜0.01)。以上结果可以看出咀嚼肌处于不同状态时，也会呈现不同的疲劳程度。由于MPF的高低与外周运动单位动作电位的传导速度，参与活动的运动单位类型以及其同步化程度有关，因此当咀嚼肌的运动强度比较小、肌肉之间的协同作用较弱时各组肌肉间无显著性差异。而MF是指骨骼肌收缩过程中肌纤维放电频率的中间值，故在咀嚼肌同时进行节律性或持续性运动时，肌纤维的放电频率差异不显著。绘制的功率谱图则与原始sEMG图形相对应，不仅从频率维度上反映sEMG的变化特征，还体现了参加活动的运动单位数量、不同运动单位的放电频率、运动单位活动的同步化程度、运动单位募集模式等情况。

由此可见，sEMG的多参数分析能较好地反映下颌不同运动状态下各咀嚼肌的功能情况，提示临床上应对sEMG进行多参数综合分析才能做出全面的判断。结合已有学者运用高密度表面肌电图反映运动神经元活动的情况，来探寻肌肉是否存在离子通道的异常的情况［12］，本文结果提示只有进行肌电图的多参数综合性分析，才能为临床医生的诊断、治疗及患者预后提供更为客观的参考依据。由于本实验样本量较小，要确定时域分析和频域分析在口腔咀嚼肌肌电图中的实际应用价值，还有待于进一步研究。

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