表面肌电的研究进展

王念 黄达武

摘  要：本文简介了表面肌电产生的客观现象、作用、机理、测试采集的方法、分析手段、在采集过程中存在的一些问题、运用在体育研究中的现实基本情况及表面肌电的局限性。表面肌电的分析手段主要是时域分析和频域分析，在时域分析中主要以积分肌电（iEMG）、均方根值（RMS）对运动动作评价以及在训练过程中主要用力肌群、肌肉贡献率、肌肉之间的协调方式进行的研究;频域分析的指标：中位频率（MF）、平均功率频率（MPF）主要研究肌肉疲劳。

关键词：表面肌电  研究现状  分析手段

中图分类号：G804                                  文献标识码：A                        文章编号：2095-2813（2019）01（c）-0027-04

Abstract：This paper introduces the objective phenomena， effects， mechanisms， methods of test collection， analytical methods， some problems in the collection process， the actual situation in the sports research and the limitations of surface electromyography. The analysis methods of surface myoelectricity are mainly time domain analysis and frequency domain analysis. In time domain analysis， the integral electromyography （iEMG） and root mean square （RMS） are used to evaluate the motion and the main force during the training. Group， muscle contribution rate， and coordination between muscles were studied; and the indicators of frequency domain analysis were： median frequency （MF） and mean power frequency （MPF）， which mainly studied muscle fatigue.

Key Words： Surface myoelectricity; Research status; Analytical means

1  表面肌電技术的研究现状

1.1 生物电的客观现象

肌电是指神经、肌肉兴奋发放生物电的结果，它是产生肌肉用力的电信号根源[1]。通过查找相关文献，早在17世纪60年代法朗漆斯科·瑞迪就发现了肌肉可能会产生电活动。1773年，Walsh发现鳗鱼的肌肉收缩可以产生电火花[2]。1791 年，Galvani在蛙类身上进行了大量实验并得出结论：肌肉的收缩与电信号变化存在很大的相关性。1849年，Dubois Reymond第一次发现并描述了人类的身体活动与肌肉的电活动是有关联的[3]。1867年，Buchenne GB为了研究完整肌肉的功能和动态主要利用的是电生理学方法。1907年，Piper利用弦线检流计记录了人臂肌肉的电势差，1912年，报告了肌电信号的频谱特征与肌肉疲劳之间的关联[4]。随着20世纪计算机技术的日渐成熟和科学技术的高速发展，表面肌电在体育科学和康复医学等领域已展开了大量研究。

1.2 表面肌电测试采集的方法及注意的因素

肌电图是指通过一定的方法引导记录肌肉兴奋时产生的生物电变化而得到的图形，主要用于肌肉活动当中，是分析和探讨肌肉活动的特定方法。通常在采集肌电信号时，测量的电极可分为针电极和表面电极[3]。针电极就是将检测的肌肉插入针形电极，从而得到的肌电信号，并且能够反映深层肌肉的肌电特征，由于检测时涉及的运动单位数目较少，因而针对性更强，在临床诊断和基础研究中的应用更广泛[5]。针电极的缺点是测试者在重复插入肌肉组织过程中很难持续保持一致的定位性，使重测信度较表面肌电低，且针电极测试的区域小，对整块肌肉活动的功能状态得不到有效反馈，不适合测量肌肉在运动过程中的变化，因此在体育科学领域中，众多研究学者主要通过表面肌电研究某一专项技术动作。表面肌电（sEMG）是指利用表面电极的方法在皮肤表面粘贴电极，在神经肌肉的调控下收集一系列生物电信号，进而分析肌肉活动的兴奋特征[6]。其特点是：在人体皮肤表面测量、使用便利、无创伤，受试者更容易采纳，能够测量更大区域的肌电信号和适合人类运动中测量的肌电特征。已有研究表明，表面肌电技术是科学研究的较好手段之一，主要分析某个技术动作中肌肉激活的先后顺序和肌肉的发力顺序，以及肌肉之间的协调关系等方面[7]。

表面肌电采用的电极一般是直径1cm以内的银—氯化银电极（电极的直径越小，记录电极之间的距离越敏感），将电极固定在被测肌肉的皮肤上，通常置于肌腹处或肌肉运动点处[3]。在粘贴电极之前，应对受试者的体毛进行刮除，并用浓度为75%的酒精擦拭。安放电极时，尽可能让受试者保持中立的状态，这样使电极片在粘贴过程中更加顺利。在设定好的肌肉肌腹处用电极片顺着肌纤维纵轴的位置粘贴，一般情况下，两个电极片的距离为2cm，也有学者设置的距离为3cm，而且肌纤维运动的方向应与电极片粘贴的位置处于平行状态。电极片粘贴完毕后，应选择用医用胶布固定好电极片，这样使采集的数据更准确、合理[3]。测试时，由于肌电信号属于高内阻的弱信号源，要求设置记录仪的电阻小于500～1000欧姆，放大器的电阻是皮肤电阻的10～100倍。在测试过程中，注意皮脂厚度和湿度，皮脂厚度越大，电阻越大;湿度越大，肌电信号的振幅降低，因此，肌电测试最好能够在相同的环境状态下进行，这样可以增大数据采集时的可靠性[8]。

综上所述，表面肌电的使用方法十分便利，无论在静止状态和运动状态下都可采用表面肌电进行测试，并且在测试时，运动员从开始到结束动作所采集的肌电信号是真实而有效的。而现代竞技体育中的运动成绩是影响运动员能否取得最终胜利的关键性因素，因而sEMG技术作为定性分析肌肉或反映肌肉协调关系的重要方法之一，使得更多地学者从肌电信号的本质特征出发，探究其内在特征和机理，结合个体差异，科学、系统地调整训练方法于手段，从而发挥运动员专项技术的最高水平。

1.3 表面肌电的分析方法

目前，对sEMG信号的分析大多数集中在时域和频域分析，包括时域法、频域法和时域-频域法三种。

时域分析是将时间函数比作肌电信号，通过函数的数值在时间维度上的不同从而产生的肌电信号变化，主要以描述sEMG信号的振幅特征为主[9]。积分肌电值（iEMG）、均方根值（RMS）、平均振幅（PJ）是研究人员利用表面肌电技术进行动作分析、肌力评价等。积分肌电（iEMG）是指肌肉活动在特定的时间段产生的运动单位放电总量，即在时间相同的情况下积分肌电的大小能够反映参加肌肉活动的运动单位数量的多少以及每个运动单位放电的大小，其大小取决于肌电幅值[10]。均方根值（RMS）是指积分肌电除以监测积分肌电的时间，能够比较在一定时间内肌肉放电的一般水平，有相关学者提出，与运动单位募集的数量和肌纤维放电的同步化存在相关性[11]。平均振幅（PJ）是指一段时间内肌电振幅的平均值，能够表现出肌电信号的强弱程度，以此可以看出肌肉的运动强度[12]。肌肉活动贡献率是指实现某一动作时一块肌肉的积分肌电与所测参加该动作全部肌肉的积分肌电总和的百分比值，该值能够合理得出每块参与活动的肌肉在实现动作时发挥作用的大小[13]，也可看出相关肌肉中哪些肌肉力量更薄弱。

频域分析主要是对sEMG信号进行快速傅立叶转换，获得sEMG信号的频谱或功率谱，能较好地看出在频率维度上sEMG的变化，也叫做频谱分析，它也可以得到被分析的肌电信号中有关频率特征的信息[14]。频域分析经常采用的指标有平均功率频率（MPF）和中位频率（MF）。平均功率频率主要反映肌电信号有关频率特征的生物、物理指标，能够对肌肉活动和功能状态得到有效阐释。中位频率（MF）是指肌肉活动收缩时肌纤维放电频率的中间值[13]。中位频率斜率能够准确表达在进行持续等长收缩练习中肌肉的疲劳程度。时序是指肌肉的激活順序，它是指人体在参与运动的过程中，肌肉与肌肉之间先后被激活的顺序[15]。

表面肌电技术在体育科学领域中已得到了广泛的应用，时域和频域分析法是目前体育科学领域中频繁采用的分析方法。积分肌电值（iEMG）能够准确得到运动过程中肌力的大小;平均振幅（PJ）能够得到运动中所测各块肌肉参加活动的时间;均方根值（RMG）能够得出在运动中所测各块肌肉收缩时间的长短和收缩强度;平均功率频率（MPF）、中位频率（MF）和中位频率斜率对肌肉的疲劳程度进行研究[15]。

1.4 表面肌电在体育中的运用

1.4.1 主要的仪器设备

鉴于表面肌电的各种优势及体育科学研究发展的需要，其在体育科学研究中的应用越来越广泛。本文通过查阅中国知网、维普、万方、超星、Web of science等数据库，对有关表面肌电在体育中的运用情况进行收集和整理。研究发现，芬兰Mega和美国NORAXON表面肌电遥测系统是国内运用较多的仪器设备。

芬兰Mega表面肌电测试仪ME6000：ME6000能够准确采集运动过程中的表面肌电信号，且可通过多种通讯方式传送到计算机，并在功能强大的肌电分析软件MegaWin下进行各种处理。此外，它可以使用视频同步监控、关节角度计、量角器和其他辅助设备，使分析更精确和系统。因而，ME6000对运动状态、肌肉的疲劳、术前术后检查与恢复等分析，其广泛地应用在体育运动的科学研究、医学康复等领域。黄达武[16]运用ME6000肌电测试系统和高清摄像机Panasonic，对我国优秀女子500m速度滑冰运动员冰上专项和陆地模仿下肢蹬冰过程的专项力量肌肉用力特征进行分析。

美国NORAXON：Noraxon公司的表面肌电测量仪器具有国际专利的信号处理技术，测试数据是非常精确、可信和重复性。MyoSystem1400型表面肌电图机的肌电信号分为4、8、12、16通道和4个附属通道用于联接其他信号，可以将其他信号与内置A/D转换衔接起来。先进技术的信号连接技术既细长又轻盈，可以大大地减少对主体动作的干扰。Telemyo型记录遥测肌电图机系统。应戴上无线发射机，将测的及处理过的表面肌电信号传送至100米以内的接收器，并且表面肌电信号在传输时是无线的，可以在实际过程中进行测量，特别是针对滑雪、游泳、骑单车和跑步等运动的研究。张秀丽[17]等人使用美国产Noraxon表面肌电遥测系统对国家队男、女各12名射箭运动员进行测试，分析了我国射箭运动员动作技术的肌电特征。

1.4.2 主要研究目的和指标

（1）主要用力肌群。

研究专项技术动作的主要用力肌群，通常采用的指标是积分肌电（iEMG）值，能够得到运动过程中肌力的大小，找出具体的某项运动中的主要用力肌群，突出训练过程中的专项性。张杰[18]研究了我国一些高水平短跑运动员在跑步和过程中的肌肉活动特性，利用表面肌电技术和高速摄像机进行同步测试的方法，分析得出：折叠前摆阶段，胫骨前肌为主要用力肌肉;下压着地阶段，臀大肌、股二头肌长头、半腱肌为主要用力肌肉，说明在同一阶段的主体动作中，参加活动的肌肉（肌群）的贡献度是有差异的。

（2）肌肉之间的激活顺序、时序。

合理的肌肉激活顺序对完成技术动作的好坏起着重要的影响因素，能够体现技术动作的协调性[19]。时序，肌肉的激活顺序，是指在多个参与肌肉参与运动的过程中，各个肌肉被激活的先后顺序[17]，可以用于比较不同水平运动员在同一技术动作中的差异性。若研究高水平运动员某一技术动作肌肉激活顺序是相同的，而初级水平运动员与高水平运动员来说，肌肉激活顺序是不同，由此说明初级水平运动员动作技术不准确，动作协调性差。张秀丽[20]等人发现在举弓动作阶段，女子运动员肌肉激活顺序的一致性较男子运动员更高，所有的男子运动员都是持弓臂三角肌先被激活，而女子运动员个体差异性大，有的是拉弓臂斜方肌中部被激活，或者浅屈肌、总伸肌先激活，由此说明在训练过程中应重视背部肌肉协调、均衡锻炼。

（3）激活时间。

一个动作的产生是由不同肌肉群共同完成，而每个肌肉群之间的肌肉激活时间是不同的。岳光华[21]运用用国内表面肌电技术分析链球运动员最后用力阶段主要用力肌群，对全国部分省市10人优秀男子链球运动员进行测试，在发球动作过程中，右股二头肌和左前胫骨肌最早开始放电;在最后用力单支撑过程中，肌电活动时间结束最早的是右三角肌和左肱二头肌。

（4）肌肉激活强度。

肌肉激活强度与做功大小有关，可以反映肌肉的参与程度。在做功相同、肌肉持续时间短的情况下，能量消耗少，可以用于判断运动员训练程度的高低。例如，研究跳远运动员最后的踏跳动作的技术分析，假设某一肌肉群在同等比例下，股四头肌做功比腓肠肌大，说明在踏跳动作时股四头肌的作用大，同时，由于腓肠肌的时程相比于股四头肌的时程长，也说明了腓肠肌的激活强度更大。因此，肌肉激活强度可用于研究不同人之间最大随意等长收缩时的对比分析;可以进行肌肉之间的疲劳分析（当肌肉激活强度下降或未达到一定要求时，说明运动员肌肉兴奋性不够、肌肉不够紧张）;也可以侧面说明完成某一动作的主要用力肌群。章国峰[28]研究短跑运动员途中跑与部分力量练习手段的下肢肌电特征对比分析，在挺髋练习中，臀大肌、股二头肌、半腱半膜肌和腓肠肌放电与途中跑后蹬时相似，在仰卧挺髋练习中;后蹬较肌肉收缩的强度大。

（5）肌肉之间的疲劳状况。

肌肉进行一段时间的持续收缩时，其生理特性得到变化，由此引起肌肉活动产生的最大作功能力或者最大收缩能力的暂时下降被称为肌肉疲劳。扬丹[22]研究等长负荷诱发肱二头肌疲劳过程中sEMG信号变化，通过对16名成年男性受试者进行运动负荷试验，负荷固定为60%MVC，记录持续的运动时间，并采用表面肌电技术监测下肢肌肌肉活动。研究发现：在疲劳状况下时域指标的积分肌电和均方根值是逐渐递增的。与频域指标有差别，MPF和MF出现了下降趋势。因此，说明频域指标对评价肌肉疲劳具有一定的可行性。王健[23]等人提到，肌肉进行最大随意等长收缩时，无论在静态和动态的运动负荷下，产生的肌肉疲劳在sEMG信号进行快速傅里叶转换的功率谱会发生不同程度的左移，MPF和MF也会随着时间的延长表现出下降趋势[24]。

随着科学技术的进步与发展，利用表面肌电技术在体育运动的各个领域中的研究已经非常普遍，其分析方法对研究肌肉或反映肌肉之间的协调，是一种较好的技术手段。目前，研究肌肉疲劳的报道，各学者的研究结果和结论存在异同。一部分学者，支持了在大强度、大负荷的运动训练下产生的肌肉肌肉疲劳，会使MPF值下降的观点，但也有一部分人员利用表面肌电技术研究发现，积分肌电值与肌肉疲劳是有关联的。由于肌电信号自身具有非平稳的特点，类似于噪音产生的时间序列信号一样。因此，受试者自身的年龄、性别、训练年限以及运动水平等因素在一定程度上对研究结果和结论产生了影响。

1.4.3 存在的问题

当前，大多数研究人员采用的是视频和表面肌电测试仪进行监测，从中可能会出现的一些问题：同步性。在研究周期性项目中，研究人员测试的肌肉与视频产生的图像是否能够合理对应。由于现实情况，表面肌电测试采用的频率大多数是1000Hz，正常的摄像机帧数在100左右，两者相差10倍，也就说1帧所对应的可能会有10个肌电，那么从数据的准确性来说也会出现误差，同步性不高。这一方面的研究目前尚无报道。

因此，各种生物力学的指标：视频、运动学、力学、肌电，在采集过程中，由于各个仪器设备采样频率不同，可能出现同步性的问题。

2  结论

（1）表面肌电是一种客观存在的现象，通过表面肌电能够有效地反映人体机能的变化特征和功能状态，已经广泛运用到体育科学研究中，在许多的运动项目中得到很好地利用。但由于肌電信号自身具有非平稳的特点，在形态上有很大的随机性，并且受试者自身的年龄、性别差异、个体差异、训练年限以及运动水平等都对sEMG特征存在影响。

（2）没有完整而有效的理论指导，就不可能有运动成绩的提高。目前，表面肌电技术在体育科学领域中得到较好地利用，利用表面肌电研究400m的专项技术特征是值得广大研究人员探索的。表面肌电技术的使用方法、数据采集等都是十分便利的，但目前有关表面肌电的同步性、肌电延迟、在测试时皮肤产生的电阻以及表面肌电的抗干扰能力等方面是今后研究人员需要加强和完善的。

参考文献

[1] 罗炯，金季春.表面肌电的处理方法及在体育科研中应用前景[J].福建体育科技，2005（2）：31-34.

[2] 余洪俊，刘宏亮，陈蕾.表面肌电图的发展与应用[J].中国临床康复，2002（5）：720-721.

[3] 曲峰.运动员表面肌电信号与分形[M].北京：北京体育大学出版社，2008.

[4] 梁培栋.基于表面肌电信号的人机动作信息传递研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.

[5] 代恩泽，贾劲，龚标，等.sEMG在足球运动员下肢肌肉训练中的应用研究进展[J].保健医学研究与实践，2015，12（3）：93-96.