基于表面肌电技术对人体上肢肌肉疲劳过程中中枢共驱动的研究

张肃

沈阳体育学院 运动人体科学学院生理生化教研室（沈阳 110102）

基于表面肌电技术对人体上肢肌肉疲劳过程中中枢共驱动的研究

张肃

沈阳体育学院 运动人体科学学院生理生化教研室（沈阳 110102）

目的：使用表面肌电技术观察人体上肢近端肌肉运动疲劳过程中的中枢共驱动现象。方法：以16名非体育专业的男性大学生为研究对象，以受试者左臂为观察臂，右臂为负荷臂。负荷臂分别处于自然下垂无负荷的放松状态和连续完成负重5kg哑铃的肘关节屈伸运动诱发疲劳状态；而观察臂手持4kg哑铃，肘关节始终保持屈曲90°，进行等长收缩直至力竭。同时使用ME6000表面肌电仪分别采集两种状态下观察臂肱二头肌和肱三头肌表面肌电信号，对时域指标积分肌电（IEMG）、均方根振幅（RMS），以及频域指标平均功率频率（MPF）、中位频率（MF）进行分析。结果：无论负荷臂处于自然放松状态还是动力性运动诱发疲劳状态，随着运动的进行，对侧观察臂肱二头肌、肱三头肌时域指标IEMG和RMS都逐渐升高（P＜0.05），但是在负荷臂疲劳状态时对侧观察臂肌肉的表面肌电时域指标IEMG和RMS增加幅度更加明显（P＜0.01），同时拮抗肌肱三头肌时域指标受到更强抑制；负荷臂疲劳状态下对侧观察臂肱二头肌肌电频域指标MPF和MF的变化比负荷臂自然放松状态下变化更大（P＜0.01），而拮抗肌肱三头肌的变化不大。结论：一侧肢体运动诱发肱二头肌肌肉疲劳能够使对侧肢体相关肌肉表面肌电的时域指标和频域指标产生伴随性的变化，说明人体上肢近端肌肉表面肌电信号的变化具有中枢共驱动的效应。

表面肌电；疲劳；中枢共驱动；积分肌电；均方根振幅；平均功率频率；中位频率

共驱动现象是近几年来备受关注的人体肌肉系统中枢运动控制模式，该现象在肢体单双关节与整体肌肉活动时的表现，已经成为了研究和探讨人类运动协调性控制的重要理论基础。有研究发现人体中枢神经系统对人体上肢近侧端肌肉具有双侧神经支配的特点[1]，但是在正常生理状态下这种双侧神经肌肉控制机制被掩盖，通常在一些中枢病理状态下才会显现出这种双侧神经肌肉支配的特点。进一步具体了解人体中枢的双侧支配对一些脑创伤病人的术后康复具有重要意义。王健等研究发现拮抗肌与主动肌的表面肌电信号的频率呈现相似的变化特点[2]，进一步观察了单侧上肢对对侧上肢肌肉肌电频率的影响[3]，但是他们仅从肌电的频率指标方面证明了中枢共驱动的存在，而且仅观察到了肌电MPF变化斜率相似。尽管国外有学者通过经颅磁刺激方法证明人体上肢手部肌肉具有双侧支配的特点[4，5]，但是他们没有从正面直接证明这种双重支配的共激活特征。

日臻完善的表面肌电检测技术因其无创伤、灵敏、准确等特点目前已在康复医学和体育科学领域中广泛应用，无论是中枢神经系统的功能状态，还是肌肉因为收缩而产生的疲劳变化，都可以从肌电各参数的特异性变化中发现特殊规律。如积分肌电（IEMG）、均方根振幅（RMS）、平均功率频率（MPF）或中位频率（MF），我们可以通过这些指标无损伤地检查人体中枢共驱动的显现。

因此，我们可以借用表面肌电技术来观察人体大脑中枢共驱动机制。本次实验以神经肌肉运动控制理论为依据，通过观察单侧肢体肌肉疲劳对对侧肌肉表面肌电信号的IEMG、RMS、MF、MPF的影响，研究探讨肌肉疲劳诱发的运动肌相关表面肌电指标是否具有中枢运动控制成分的影响。

1 对象与方法

1.1 研究对象

本次实验研究对象为16名来自于沈阳体育学院非体育专业的男性学生，全部实验对象均自愿参加本次实验，72小时内均无大强度运动行为，运动系统状态良好，精神与健康状态无异常，上臂无急性或慢性运动损伤病史，所有受试者参与实验前都确切了解了实验方法和要求。实验对象的年龄、体重、身高的平均值±标准差分别为：年龄21.63±0.92岁、体重75.8± 14.9kg、身高174.4±6.0 cm。

1.2 实验设计方案

本次实验中设定受试者左臂为观察臂，右臂为负荷臂，利用表面肌电仪采集观察臂肱二头肌和肱三头肌的表面肌电信号。实验期间受试者靠墙站立，负荷臂状态作为自变量分为两种动作，分别为：（1）自然放松下垂；（2）持5kg哑铃进行疲劳性连续屈伸运动。观察臂上臂垂直地面，屈肘90°，保持手持4kg哑铃静态动作至力竭（力竭判断标准为几乎难以继续保持既定角度[3]），观察臂力竭后实验结束。如在观察臂完全力竭前负荷臂先感受到较强疲劳，则使负荷臂在受试者的耐受范围内采取间断性弯举保持较强疲劳感即可，直到实验结束。负荷臂两种动作进行的先后顺序采用完全随机设计原则，受试者完成一种测试后，经过充分的休息后接着进行第二种实验方案的测试。全部实验完成后，将仪器采集的每位受试者的肌电信号按需剪裁编辑，最后分析对比研究实验结果。

1.3 仪器设备与材料

本研究中用到的仪器设备为表面肌电仪（Mega⁃win，芬兰，ME6000）、表面电极（申风，上海）、4kg哑铃与5kg哑铃、安装有肌电检测分析软件的电脑、防止电极意外脱落的弹力绷带。

1.4 表面肌电数据采集与处理

在实验前首先对受试者的测量肌肉的局部皮肤进行预处理，使用磨砂膏（Nuprep，D.O.Weaver&Co.，USA）去除皮肤的角质皮，然后用酒精擦干局部皮肤。分别在肱二头肌和肱三头肌长头腱的最大肌腹处贴表面电极片，两个电极中心的距离为20mm，参考电极与其成等边三角形。仪器采样频率设置为1000 Hz。

在对数据进行处理时，首先剪裁掉开始与结束部分约1 s左右的数据，因为初始和结束部分的动作可能导致这部分数据有波动。由于每一名受试者的运动能力不同，最后每一个人的运动时间不同，为了便于进行统计学分析，将受试者的运动时间进行标准化处理，即将每个人不同的运动时间平均分成10等份，将每一等份内的所有数据取平均值，因此所有人的数据将转换为10个数据，分别以t1至t10命名，表示这10个段数据平均值。

在对肌电指标进行分析时分别选取时域指标和频域指标。时域指标选取积分肌电（IEMG）和均方根振幅（RMS），分别把“设置-运算-平均时间-帧宽度”选项设置为0.001 s和0.1 s。频域指标选取平均功率频率（MPF）和中位频率（MF），按照快速傅里叶转换方法进行转换，窗口宽度选取1024点，重叠率为50%。

1.5 统计学分析

本研究中应用统计学spss16.0进行数据处理，对不同时间点相关指标的差异性使用重复测量方差（Re⁃peated Measure ANOVA）进行分析。在进行重复测量方差分析时首先进行球形检验，若球形检验不成立，使用校正Greenhouse-Geisser自由度校正的epsilon值，为了表述清楚，自由度使用非校正后的自由度来表示，而F值采用校正后的值。同时对效应量进行描述，本研究中效应量采用的指标是偏埃塔平方（partial eta squared，ηp2）。效应量可以反映自变量和因变量之间的密切关系程度，而且与样本量大小无关。如果效应量很小，即使统计学有显著性意义，其结果可能要受到怀疑。另外，事后比较使用LSD法进行两两比较，在本研究中主要观察疲劳运动过程中不同时间点与初始时间点（t1）之间的差异，所以选取的是t2～t8时间点与t1进行差异性比较，显著标准为0.05。所有数据使用平均值±标准差表示。

2 结果

2.1 负荷臂两种动作对观察臂肌电时域指标的影响

从表1和表2显示，无论一侧肢体自然放松状态还是疲劳状态下，随着运动的进行，对侧观察臂肱二头肌时域指标IEMG和RMS都逐渐升高。自然放松状态和诱发疲劳状态下，对侧肱二头肌RMS指标随时间变化的重复测量方差值分别为F（9，135）=18.5，P＜0.001，ηp2=0.32，变化率为+46.2%，F（9，135）=23.6，P＜0.001，ηp2=0.59，平均变化率为+64.3%。对侧肱二头肌IEMG指标随时间变化的重复测量方差值分别为F（9，135）= 15.5，P＜0.001，ηp2=0.31，平均变化率为+43.8%；F（9，135）=19.9，P＜0.001，ηp2=0.55，平均变化率为+64.1%。这说明随着时间的进行时域指标IEMG和RMS有显著变化，而且在动力性负荷诱发一侧肢体疲劳后对侧肢体肱二头肌肌电信号增加更加明显。进一步分析发现，一侧肢体自然放松状态下对侧肱二头肌肌电的时域指标RMS和IEMG从t3开始后显著增加（P＜0.05）（见表1）。但是在一侧肢体疲劳状态下对侧肱二头肌肌电时域指标RMS和IEMG从t2后就开始增加，而且增加幅度更大（P＜0.01）（见表2）。

表1 一侧肢体无负荷自然放松状态下对侧肱二头肌肌电时域指标

表2 一侧肢体动力性负荷诱发疲劳状态下对侧肱二头肌肌电时域指标

对于拮抗肌肱三头肌来说，一侧肢体自然放松状态和疲劳状态下，其表面肌电信号的时域指标RMS和IEMG也表现出一种上升的趋势（见表3和4），RMS指标的重复测量方差值分别为F（9，135）=13.5，P＜0.01，ηp2=0.33，变化率为+32.5%；F（9，135）=15.6，P＜0.01，ηp2=0.29，变化率为+34.2%。对于IEMG来说，一侧肢体自然放松状态下重复测量方差值分别为F（9，135）= 14.2，P＜0.01，ηp2=0.32，变化率为+30.1%，疲劳状态下重复测量方差值分别为F（9，135）=15.1，P＜0.01，ηp2= 0.31，变化率为+36.1%。

表3 一侧肢体无负荷自然放松状态下对侧肱三头肌肌电时域指标

2.2 负荷臂两种动作对观察臂肌电频域指标的影响

对于频域指标来说，随着疲劳发生，变化趋势与时域指标相反，表现为逐渐下降。对于肱二头肌MF指标来说，一侧肢体诱发疲劳状态下，对侧肢体肱二头肌表面肌电信号发生了显著变化F（9，135）=12.2，P＜0.01，ηp2=0.28。从表5中可以看出，在负荷臂放松状态下，从t4时间段开始，MF指标与t1相比较时，具有统计学差异；对于MPF来说，F（9，135）=15.2，P＜0.01，ηp2=0.36，从t2时间段开始，其减少变化有统计学意义（P＜0.05），其中从t4开始有非常显著统计学意义（P＜0.01），而且MPF指标似乎对疲劳更加敏感，因为其效应量ηp2表现出更高的值。从表7中可以看出，在负荷臂疲劳状态下，同样表现出频率下降的趋势，在t2到t10时间段中，全部频域指标与t1相比较时，除了t2中MF与MPF指标变化有统计学意义，t4时MF指标变化无统计学意义，其余指标的变化都有统计学意义。而肱三头肌变化特点与其相似。

通过表5和表6可以看出，在一侧肢体疲劳状态下对侧肱二头肌的肌电频率要比自然状态下时肱二头肌的频率更高。

而对于拮抗肌肱三头肌来说（见表7和表8），其频域指标变化特征与肱二头肌变化相近。

表5 一侧肢体无负荷自然放松状态下对侧肱二头肌肌电频域指标

表6 一侧肢体动力性负荷诱发疲劳状态下对侧肱二头肌肌电频域指标

表7 一侧肢体无负荷自然放松状态下对侧肱三头肌肌电频域指标

表8 一侧肢体动力性负荷诱发疲劳状态下对侧肱三头肌肌电频域指标

3 分析

3.1 时域指标分析

根据文献报道，随着运动时间的持续，肌肉表面肌电信号时域指标逐渐升高，这是肌肉疲劳的一种表现[6-8]。积分肌电（IEMG）是指某一块肌肉在单位时间内产生的电活动总量，也就是肌电曲线与时间轴围成的面积[9]。可以反映支配某一块肌肉的一群运动单位在一段时间内的电活动情况。均方根振幅（RMS）反映的是一段时间内肌电的平均变化特征，它可以反映运动单位募集的同步化程度[9]。在本研究中随着运动的进行，肌肉开始出现疲劳，但是机体为了继续维持当前的运动状态和工作任务，先前募集的运动单位开始疲劳，为了使运动任务继续进行，需要募集更多的运动单位，此时肌肉放电现象加强，在单位时间内的IEMG值增加，因此IEMG随时间延续呈升高的趋势。另外，在疲劳过程中大脑中枢也会通过增加运动单位的同步化程度来弥补肌肉力量的下降，所以RMS随运动时间的进行也会出现升高的趋势。这与其他学者的研究结果相近。例如：Kilbom等人观察了健康受试者肘关节屈肌以等长收缩形式，按照25%MVC的收缩强度，直至收缩到力竭状态，研究结果表明RMS持续不断上升，力竭时达到最高[10]。另外，还有人观察了上肢肱二头肌分别在20%、40%、60%和80%MVC的负荷下进行等长收缩直至力竭状态时表面肌电信号的特征，结果发现IEMG随时间增加，IEMG的改变率与运动强度无关，最后力竭状态时IEMG达到初始值的1.4倍[11]。

同时，我们对相关数据进行了统计学分析，结果发现对于一侧肢体自然放松状态下对侧肱二头肌肌电的时域指标RMS和IEMG从t3开始后显著增加（P＜0.05）（见表1）。但是在一侧肢体疲劳状态下对侧肱二头肌肌电时域指标RMS和IEMG从t2后就开始增加，而且增加幅度更加明显（P＜0.01）（见表3）。另外，在一侧肢体疲劳状态下时对侧肱二头肌肌电信号随时间变化的效应量值也更高，这说明一侧肢体产生疲劳时可能是通过共驱动对对侧肢体产生了影响，表现为一侧肢体疲劳使对侧肢体肱二头肌的肌电指标RMS和IEMG更高，这种差别在疲劳后期最为明显。之前有研究报道[3]，肱二头肌受大脑中枢的双侧支配，本研究的结果从表面肌电指标证实了这一点。

另外，从本研究中肱三头肌来看，即使肱三头肌不是本实验设计中的主动肌，但是对侧观察臂肱三头肌的肌电时域指标也跟随着表现为相似的增加变化趋势，这也应该是中枢共驱动的一种表现。但是肱三头肌与肱二头肌表现相反，即肱三头肌RMS电活动水平要显著低于肱二头肌，这是因为肱三头肌作为拮抗肌，其电活动是通过脊髓环路中的中间抑制性神经元的抑制导致的，而控制中间抑制性神经元活动强度正是来自主动肌的电活动[12]，而在一侧肢体疲劳状态下，鉴于中枢共驱动的机制，对侧控制肱三头肌的抑制性神经元的活动更强，所以导致在一侧肢体疲劳状态下肱三头肌的时域指标RMS和IEMG比一侧肢体自然放松状态下更低。

3.2 频域指标分析

本研究中肱二头肌疲劳状态下肌电频域指标下降的事实与其他学者研究结果相似。有学者研究认为肌肉疲劳过程中肌电频率成分下降的主要原因与肌肉在疲劳过程中产生的氢离子有关[13]，氢离子使动作电位的传导速率变慢，从而表现为肌电的频率成分降低。但是国外有学者发现动作电位传导速度下降比例与频率成分下降并不呈线性关系，动作电位传导速度下降要低于频率成分的下降程度[14，15]。这些研究都证明肌电的频域指标变化可能并不仅仅受外周氢离子影响的。因为从本研究的数据可以看出，肱三头肌作为拮抗肌其肌电频域指标与主动肌变化特点相近，这可能就是中枢共激活调控的结果。

从数据中可以明显地看出，一侧肢体疲劳状态下对侧肱二头肌肌电频域指标MPF和MF的变化要比一侧肢体自然放松状态下对侧肱二头肌肌电变化更明显，表现为MPF和MF增加更明显。另外，可以看出MPF指标要比MF指标对疲劳更敏感。本研究结果表明在肢体一侧疲劳过程中，中枢神经系统可能对对侧相应肌肉实行了同样的控制策略，所以会使频域指标MPF和MF升高。这说明中枢对肌电频域指标具有调控能力。

通过频域指标的数据可以看出，在一侧肢体疲劳状态下对侧肱二头肌的肌电频率要比自然状态下肱二头肌的频率更高，这可能由于一侧肢体疲劳后中枢的放电频率增加，然后通过共驱动的方式来影响对侧肱二头肌，使得肱二头肌的表面肌电信号的频率相对增加。

共驱动理论认为，人体在运动时中枢神经系统对属于同一神经元池的运动单位活动进行整体调控。共驱动理论的研究开始于同一块肌肉内部的各运动单位兴奋发放频率的一致性，之后学者们进一步研究发现，在关节水平，实现共同任务的主动肌和拮抗肌的运动单位兴奋发放频率也遵从共驱动控制原理[3]。

4 结论

本研究通过诱发一侧肢体上肢肘关节肌肉运动性疲劳的发生，发现对侧肢体肱二头肌和肱三头肌表面肌电信号时域指标RMS、IEMG和频域指标MF、MPF具有中枢共驱动的特征。这对于丰富和完善中枢共驱动理论具有重要意义。

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Study on Neural Co-activation during Human Upper Limb Muscle Fatigue Based on Surface Electromyography

Zhang Su
Department of Physiology and Biochemistry，Human Kinesiology College，Shenyang Sport University，Shenyang 110102，China

Zhang Su，Email：zhangsu19631@yeah.net

Objectives To observe the co-activation phenomenon during exercise fatigue induced by the proximal muscles on the upper limbs.MethodsSixteen undergraduates not majoring in sports partic⁃ipated in this study，and their left arms were chosen as the observed arms and right arms were select⁃ed as the weighted arms.The weighted arm was alternatively in the state of relaxation without any load and fatigue after bending and extending elbow joints to uphold a 5kg dumbbell.However，the ob⁃served arm kept weighing a 4kg dumbbell with 90 degrees elbow flexion until the muscles were ex⁃hausted.The surface electromyography of biceps brachii and triceps brachii of the observed arms was measured using the ME6000.And the integrated surface electromyography（IEMG），root of mean square（RMS），mean power frequency（MPF）and median frequency（MF）were further analyzed.ResultsThe IEMG and RMS of biceps brachii and triceps brachii of the observed arms increased gradually af⁃ter the exercise began（P＜0.05）regardless of in the relaxed state or in the in the state of weighing a 5kg dumbbell for the weighted arm，but in the state of weighting a 5kg dumbbell the IEMG andRMS increased more significantly（P＜0.01），Meanwhile the electrical activities of the triceps brachii as an antagonistic muscle were intensively inhibited.The changes of MPF and MF of biceps brachii in the observed arms were more significant in the state of exercise fatigue than in the relaxed state（P＜0.01），but without such an impact on the triceps brachii.ConclusionsThe fatigue in one arm can trig⁃ger contingent changes in sEMG time domain and frequency domain indexes of its contralateral parallel muscles，suggesting that sEMG changes of upper limb proximal muscles have the co-activation effect.

surface electromyography（sEMG），fatigue，co-activation；integrated surface electromyog⁃raphy（IEMG），root of mean square（RMS），mean power frequency（MPF），median frequency（MF）

2016.04.26

辽宁省教育科学“十二五”规划2015年度研究基地专项课题（JG15ZXY09）；沈阳体育学院重点体育学科资助项目（XK⁃FX1512）；辽宁省教育厅科学技术研究一般课题（L2012412）

张肃，Email：zhangsu19631@yeah.net