表面肌电分析方法及在运动性肌肉疲劳评价中的应用

潘磊 袁守龙

摘 要 肌肉运动时会有微小的生物电变化，表面肌电图作为一种无创的检测方法来检测这种生物电变化，运动时肌电图的振幅、频率等指标均会产生相应的变化，而且这些变化与运动过程中肌肉疲劳度存在密切相关性。随着肌肉疲劳的发生和发展，表面肌电信号的FFT曲线可以发生不同程度的左移现象，并且导致反映频谱曲线特征的MPF和MF产生相应的下降，时域指标随疲劳的出现而产生线性上升，由此sEMG可以对机体运动的疲劳阈值做出准确的检测，肌肉活动诱发肌肉疲劳过程中sEMG信号变化的生理学机制目前学认为与大脑皮层运动中枢的激活水平（Activation）、中枢驱动（Drive）、运动神经原的兴奋发放频率、同步化程度及肌细胞膜动作电位传导速度下降因素的共同作用有关。

关键词 表面肌电 运动性肌肉疲劳 时域 频域

1运动性肌肉疲劳时sEMG的变化

運动性肌肉疲劳是指由运动诱发的神经肌肉系统最大作功能力或者最大随意收缩能力暂时下降的现象，无论是动态还是静态运动，伴随着运动性疲劳的发生表面肌电图信号也会发生相应的改变，大多数研究结果表明从初始态到疲劳态，sEMG时域值在运动至疲劳过程中的总趋势是上升，频率下降，主要表现在iEMG和RMS增大，MPF和MF下降以及功率谱曲线左移。有研究认为，随着肌肉疲劳的发生和发展，EMG 和RMS 呈线性增加，肌电图疲劳阈（Electromyographic fatigue threshold，EMGFT） 是一种旨在检测和判断肌肉负荷强度阈值的实验方法，该方法是建立在不同负荷强度运动时iEMG与运动负荷持续时间（通常为60sec） 呈直线性相关的实验事实基础上进行的，通过检测不同强度、维时60sec的运动中主要运动肌iEMG与持续时间关联直线的斜率值，建立负荷强度—斜率关系曲线来进行。但EMGFT却明显大于临界功率值（169.5？2.8W ），尽管其间也存在明显的统计关系（0.869）;然而，最近有人对EMGFT方法的准确性却提出另外的看法。Palate等在探讨EMGFT是否能成为预测非疲劳运动强度的方法时发现，虽然EMGFT有较好的重复性，但被试分别以85、100、115、130 和145%的EMGFT强度运动至疲劳的功率—疲劳时间曲线却显示，被试的非疲劳运动强度（维时30和60min 运动的强度）分别为151W和125W，其数值明显低于EMGFT（260？1W）和262？2W），证明EMGFT不能准确预测非疲劳运动强度;为进一步探讨应用EMG预测疲劳阈的可靠性，Housh等对股四头肌不同成份在EMGFT实验中的变化进行了深入研究，Housh等设想，由于肌纤维类型的差异，不同部分的股四头肌在相同运动负荷时的iEMG将有所不同，而最大的非疲劳运动强度将由最低的EMGFT的肌肉来决定，为此，Housh等在实验中同步对股外肌（VL），股直股（RF）和股内肌（VM）的EMGFT进行测量，结果发现其间存在明显统计差异（VL：248？1W，VM：223？3W，RF：220？0W），证明以iEMG预测疲劳阈尚需对被检肌肉或电极放置部位进行研究。

2运动性肌肉疲劳发生时sEMG变化的机制

（1）中枢机制主要是指人脑皮层及运动神经元疲劳时放电频率的减弱和运动单位兴奋的同步化的降低，中枢机制的作用途径和方式目前尚不完全清楚，可能与运动神经原的兴奋发放频率及其同步化程度等有关。有研究表明，不同肌肉在进行最大随意运动时常伴有运动单位放电频率（Motor unit firing rate，MUFR）的下降。另外，直接测定人体肌肉自运动初期至极度疲劳过程中的MUFR也发现，其数值由100 Hz降至约20 Hz水平，初步表明兴奋发放频率可能是中枢机制的一种。但也有研究不同意这种观点，他们认为MPF的下降常伴有EMG谱功率值的增加，而后者可能与已活动的运动单位放电频率增加或额外运动单位的募集有关，不同强度运动所引起的EMG频率成份变化与肌力变化无明显相关。此外，也有人发现，低负荷收缩时，MPF随负荷增大而略有增加，而在完成25%MVC以上负荷时，MPF变化也不完全依赖于负荷的大小。

（2）外周机制主要包括：①肌内压升高，使血流受阻，引起肌细胞膜通透性发生变化，导致动作电位传导速度下降;②因快肌运动单位很快疲劳，募集更多的未疲劳的慢肌运动单位参加工作;③肌肉运动时局部酸性代谢产物堆积，肌肉运动时产生的细胞外K+或乳酸浓度的增加将直接导致肌膜传导速度的降低，有关肌肉疲劳时MPF下降与肌乳酸累积呈明显统计负相关的研究，是支持这一观点的主要实验证据，另一方面肌肉细胞内K十含量减少，而细胞外液钾离子含量增加，体外实验研究表明：当细胞内K+从182毫摩尔降到134毫摩尔，肌细胞膜电位就从-75 mV降至-57 mV，说明细胞外高K+可降低动作电位幅度，减慢兴奋传导速度，阻断兴奋-收缩耦联。但近年来在代谢方而研究结果有争议，有人研究运动时肌肉中并不产生乳酸的磷酸化酶缺乏的患者，发现其肌肉经过运动后仍发生sEMG频谱左移现象，并认为sEMG频谱左移与pH的下降并无因果关系，所存在的相关性，可能只是同属代谢机能下降的表现而已。

参考文献

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