表面肌电检测技术在骨科的运用

马剑雄，冯 睿，王 颖

综述

表面肌电检测技术在骨科的运用

马剑雄，冯 睿，王 颖

由于人体细胞的细胞膜在不同状态下对离子有选择性透过作用，这使得细胞在状态转变的时候会产生微弱电流。表面肌电就是利用表面电极收集肌肉的肌电活动得出的数据图。由于无创无痛且较容易实现，表面肌电已越来越多的用于临床工作。临床医师通过对表面肌电图中的积分肌电、均方根振幅、平均振幅等统计特征进行分析可以达到评价骨骼肌功能，诊断腕管综合征和评估神经损伤，腰背痛的肌肉定位，以及指导恢复训练等目的。

表面肌电；骨科；肌肉；信号

表面肌电图（surface electromyography，sEMG），也称动态肌电图（dynamic electromyography，DEMG），是将电极贴服于对应肌肉的皮肤表面，收集整块肌肉的肌电活动而综合计算得出的数据图[1]。表面肌电图可以检测由于有效刺激使肌细胞内外的电位改变引起的细胞兴奋变化，从而评价肌肉功能。

表面肌电检测作为一种无创且无痛的检测技术，已经被广泛的运用于临床工作。表面肌电检测技术结合了检测、治疗、评定等多项功能，在很多领域都体现出了其优越性，本文综述了一些表面肌电的检测技术以及在骨科中的运用。

1sEMG技术简介

1.1 肌电产生的机制 由于人体细胞包括肌细胞会选择性的吸收和排出各种离子造成细胞内外环境离子浓度的差异。在静息状态下，K+外流的速度远远大于Na+的内流速度，使得细胞内的正离子浓度高于细胞外正离子浓度，从而造成了“内负外正”的静息电位；当肌细胞受到刺激（化学刺激或电刺激等）兴奋时，细胞膜突然增大了对Na+离子的通透，Na+离子迅速内流，使细胞内电位升高，最终变为“内正外负”，这就是动作电位。动作电位在肌细胞膜上传导，引起整个肌纤维的兴奋，产生肌肉收缩。肌肉收缩和这些肌细胞的电位变化有十分密切的偶联关系[2]。

1.2 肌电测量方式的分类 根据采集电极和测量仪的不同，肌电的测量方法分为很多种。目前引导肌电的电极主要分为两种，针电极和表面电极。

针电极是一种接有传导线的金属导针，其中包括同心针电极、双心针电极、多导针电极和单肌纤维针电极。它的特点是电极与身体作用区域小，可以对肌肉特定部位的单根肌纤维到数十根肌纤维的电活动进行较为准确的测量，同时可用于深层肌肉及其内部的电生理变化的检测。临床上主要应用于周围神经和上运动神经元损伤的诊断。然而，针电极提取肌电信号时需要将电极插入肌肉内，会给受检者造成一定程度的损失和感染，而且，对于整块肌肉电变化的反应不佳。

表面电极的产生不但解决了这些问题，还开启了运动中肌电变化的研究。表面电极一般是较小的具有优良导电性的金属片，将金属片之间贴附在肌腹对应的皮肤表面。其采集到的表面肌电信号主要是浅层肌肉肌电信号和神经干上电活动的综合效应。实际使用中，多采用标准双电极模式以及差分模式，从而减少相邻肌肉肌电信号的交叉干扰。表面肌电电极也有其缺点，即对深部的肌肉无法实现准确测量，当然也包括肌肉内部某部位或某一运动单位的肌电变化。另外,表面电极引导出的肌电是电极下许多运动单位产生的动作电位互相叠加的结果,数据信号十分复杂,不易提取有效参数。

目前,许多国家都有比较成熟的肌电采集,如芬兰的MEGA和美国的Noraxon表面肌电仪等。随着发展，采集通道的种类也变得越来越全面，其中不仅含有简单的2通道、4通道还包括了高级的8通道和16通道。根据传输技术的不同也被分为在线测量和无线测量两种类型。总之，肌电测量仪的研制正朝着多通道、微型、微创或无创、快速、实时、遥测、动态、智能化的方向发展。

1.3 sEMG的分析 在临床实践等各种应用中，能否充分利用肌电信号提供的信息，实现对神经肌肉系统状态的准确跟踪、判断或预测的目的，极大地依赖于肌电信号的特征提取方法和分析手段。近年来，随着微处理器和计算机引入肌电测量领域，多种肌电信号的数字化分析方法由此产生，主要包括：时域分析、频域分析、时频分析和非线性动力学分析。

时域分析是肌电信号分析的最直接方法，它将肌电信号表达成记录点的电位-时间曲线，通过分析得到肌电信号的某些统计特征，常用的评价指标有积分肌电（integrated electromyogram，IEMG）、均方根振幅（root mean square，RMS）、平均振幅（mean amplitude，MA）[3]等。IEMG是指肌肉中参与活动的运动单位在一定时间内放电的总和，它反映了随着时间的变化电信号强弱的变化情况，其大小可以评估参与电活动的运动单位的数量。有研究[4]认为肌肉随意静力收缩时，IEMG的大小与肌张力和肌力的变化成正相关。均方根振幅(RMS)用来描述一段时间内肌电的平均变化特征，指此段时间内所有振幅的均方根值，但不能反映肌电信号的细节变化。MA为振幅的平均值，其主要意义是评价肌电信号的强度与参与的运动单位数目及放电频率同步情况。时域分析方法最早应用于肌电信号分析，但其自身的不稳定性、易受干扰性限制了它在肌电信号处理领域的应用。

频域分析是指在频率方面评价肌电信号的指标分析，主要分析方法是将时域信号通过快速傅立叶转换(fourier transform，FFT)，获得表面肌电信号的频谱或功率谱，它们可反映表面肌电信号在不同频率分量的变化，故能较好地在频率维度上反映表面肌电信号的变化特征。该分析方法在表面肌电信号分析中具有重要价值[5]。频域常用指标主要有平均功率频率（mean power frequency，MPF）和中值频率（mean frequency，MF）等。MPF是指经过功率谱线重心的频率；MF是各个时间段功率的平均值。两者均能反映肌肉活动和功能的状态，但一般认为MPF在反映较低负荷收缩时的灵敏度较高，MF在抗噪声干扰方面更具优势。在分析具有非平稳性和对肌肉活动有敏感依赖性的肌电信号上，频率域分析有其局限性，尚难全面、准确的反应变化规律[6]。

在肌电信号的分析中，也有把时间域和频率域结合起来的小波分析法。该方法通过对不同功能状态下的肌电信号进行适当的小波转换，在不同的尺度下观察其频率与时间的变化特性。蔚二文等[7]认为小波分析可以在任何细节上分析信号，且对噪声不敏感，是表面肌电分析较理想的工具。王乐军等[8]继承和发展了小波分析和小波包分析作为傅里叶变换的理论，很好地解决了傅里叶变换中时域分辨率与频域分辨率的局部化矛盾及分析非稳态、非线性信号的局限性问题。但是这些时频分析方法同样存在一定的不足之处，即当信号成分较多时，不同成分之间容易出现交叉项，引起伪像，从而影响信号特征的提取。

由于肌电信号的非稳定特征，使传统的肌电信号分析方法都受到一定的限制，因此越来越多的研究者开始尝试应用非线性信号分析的方法对此进行研究。同时，电生理研究表明，运动神经系统本质上是一个高度非线性的动力学系统。于是，非线性动力学分析方法在肌电信号的分析方面逐渐得到重视。

2 sEMG在骨科中的运用

2.1 表面肌电评价骨骼肌功能 sEMG主要表示的是肌肉电生理的变化，所以其首要意义就是对肌肉功能进行评价[9]。通过观察采集的信号，可以很直观的发现肌肉是否能产生随意的活动。虽然其信号的变化不能直接反映骨骼肌肌力的大小，但是一些研究[10-12]发现sEMG信号可以用来评估肌肉疲劳。有学者采用表面肌电的方法对股直肌三种不同的收缩方式、不同时期的疲劳程度进行评判，发现IEMG值和P-P峰值能较好的反应人体肌肉运动疲劳的状态。马国际等[13]的研究结果表明，sEMG的IEMG、RMS、MA等时间域值在疲劳过程中是呈上升趋势的；而反映频谱曲线特征的MPF和MF是下降的。Hendrix等[14]在其论著中提到“肌电疲劳域”以此来评价肌肉的疲劳状态。

2.2 表面肌电在腕管综合征中的应用 腕管是由8块腕骨和横架在上面的腕横韧带共同组成的骨性纤维性通道，其中穿行正中神经和9条肌腱。由于腕管内的空间很有限，加之周围组织缺乏弹性，当腕管压力升高时，其内穿行的组织，尤其是正中神经容易受到卡压，引发腕管综合征。早在上世纪80年代，美国电生理诊断协会就公布了腕管综合征的电生理的诊断和分类标准。近些年，不断有研究肯定sEMG在诊断和评估腕管综合征中的有效性。牛仁山等[15]通过对69例病人进行肌电图分析，发现刺激环指比较相同距离正中神经与尺神经潜伏期之差值，是腕管综合征早期诊断的敏感指标。杨继红等[16]发现在其观察的病例中，sEMG表现为正中神经SCV轻度减慢或诱发电位波幅降低，正中神DML延长，MCV异常，拇短展肌EMG呈神经原性损害。

2.3 表面肌电在腰背痛中的意义 通过sEMG检测，可以精确发现软组织损伤和慢性疼痛患者的问题肌肉，发现肌肉的不对称收缩。腰背痛是一种常见病，其主要表现是非创伤性的腰背部疼痛和运动功能受限。影像学检查诸如X线、CT、MRI等对腰背痛的诊断有一定意义，但是均不能进行动态观察和评估。国外有学者[17]比较了健康和慢性腰背痛的病人不同时间的0%～100%收缩可靠性，发现评价不同天之间的躯干肌肉的sEMG信号时，中、高收缩幅值标准化更可取。余洪俊等[18]对正常人诱发急性下腰痛前后等长收缩状态下的sEMG进行研究，检测不同力学环境和屈曲角度下躯干背伸肌、臀大肌等长收缩运动时sEMG的变化。首先用1 mL蒸馏水在L4，5棘突间隙注射诱发急性LBP，注射5 min后再次测量sEMG。结果发现诱发急性下腰背痛后,等长收缩运动开始后30 s内MPF值均增高，其中双侧臀大肌升高最明显；MPF斜率没有明显变化。L5～S1水平竖脊肌和臀大肌RMS值下降，其中双侧臀大肌下降最为明显。认为急性下腰痛患者在等长收缩运动早期竖脊肌和臀大肌MPF斜率值较正常时上升。卫杰等[19]通过对有无腰背痛的飞行员进行比较，发现在屈曲下两类人群的FER有显著差异。

2.4 表面肌电与恢复训练 创伤后功能的恢复一直是评价治疗的一项重要指标，良好的恢复性训练可以使患者基本恢复至健康时状态，相反，不良的锻炼可能导致治疗的失败甚至是进一步的恶化。对于骨折复位后病人锻炼的指导一直缺少有效而较客观的指标。

很多学者利用sEMG可以对局部肌肉在不同状态下的功能情况进行评估。其中许以诚等[20]对比在振动和非振动下练习屈肘，同时施加不同的负荷，通过检测肱二头肌、屈腕肌、肱三头肌和伸腕肌的肌电，发现当负荷和肌肉收缩的方式相同时，振动条件下肌电的IEMG/s值较大。他认为在振动条件下训练可以更好的提高肌肉兴奋性。

3 展望

表面肌电是一种非常实用的检测技术，随着越来越多的运用于各种领域，表面肌电技术也在不短的完善和提高。但是在很多方面还是需要我们努力研究。在信号采集方面，我们应该针对采集时屏蔽局部噪声信号的干扰；在分析方法方面，我们还需要拓展非线性分析的方法，更精确的分析数据；在骨科的运用方面，除了可以研究将肌电与更多疾病的关系外，还应加大在创伤后恢复方面的研究。

[1]马胜.不同负荷运动中下肢肌表面肌电图的变化[J].中国组织工程研究,2013,17(7):1259-1264.

[2]Duchene J,JY Hogrel.A model of EMG generation[J].IEEE Trans Biomed Eng,2000,47(2):192-201.

[3]袁爱国,史绍荣,何彩艳,等.运动性肌肉疲劳的肌电图特征及其机制探讨[J].四川体育科学,2006,(3):36-39.

[4]Hayashibe M,Guiraud D.Voluntary EMG-to-force estimation with a multi-scale physiological muscle model[J].Biomed Eng Oline, 2013,9(12):86.

[5]王奎,刘建红,宋刚.sEMG技术在评价运动性疲劳方面的方法及应用[J].安徽体育科技,2004,25(3):49-51.

[6]李卓.表面肌电的信号分析及在体育科研中的应用[J].体育科技文献通报,2006,14(3):31-33.

[7]蔚二文,陈维毅.表面肌电图在肌肉功能评估中的应用[J].大众科技,2007,95(7):120-122.

[8]王乐军，陆爱云,范年春,等.表面肌电信号指标评价低负荷等长收缩诱发屈肘肌疲劳的敏感性和稳定性分析[J].中国运动医学杂志,2013,32(2):117-123,163.

[9]余洪俊,表面肌电图评价肌肉的功能状况 [J].中国临床康复, 2002,6(23):3514-3515.

[10]王健,方红光,杨红春.运动性肌肉疲劳的表面肌电非线性信号特征[J].体育科学,2005,25(5):39-43,64.

[11]皮喜田,陈峰,彭承琳,等.利用表面肌电信号评价肌肉疲劳的方法[J].生物医学工程杂志，2006,23(1):225-229.

[12]陈谦,马静,王健.疲劳负荷下颈部肌肉表面肌电活动的变化规律[J].北京体育大学学报,2010,33(9):52-55.

[13]马国际,刘小莉.递增负荷运动过程中股四头肌表面肌电图的变化[J].四川体育科学,2009,(1):29-32.

[14]Hendrix CR,Housh TJ,Johnson GO,et al.A new EMG frequency-based fatigue threshold test[J].J Neurosci Methods,2009,181 (1):45-51.

[15]牛仁山.神经肌电图对腕管综合征的诊断价值[J].中国现代医生,2009,47(10):7-8.

[16]杨继红,邢威,姚颖.神经肌电图对腕管综合征的诊断意义[J].现代医学,2012,40(2):216-217.

[17]Lariviere C,AB Arsenault.On the use of EMG-ratios to assess the coordination of back muscles[J].Clin Biomech(Bristol,Avon), 2008,23(10):1209-1219.

[18]余洪俊,吴宗耀,刘宏亮.急性下腰痛者竖脊肌和臀大肌功能变化的研究[J].中国康复医学杂志,2003,18(6):22-24.

[19]卫杰,赵平,范宇,等.歼击机飞行员非特异性慢性腰背痛患者腰部竖脊肌表面肌电特征[J].中华航空航天医学杂志,2011,22(3): 198-202.

[20]许以诚,高炳宏,刘文海,等.振动与非振动力量练习时肌电图变化的比较研究[J].西安体育学院学报,2004,21(4):54-55,61.

（收稿：2014-01-26 修回：2014-06-16）

（责任编辑 马信龙）

Q445

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