表面肌電分析方法及在運動性肌肉疲勞評價中的應用

潘磊 袁守龍

摘 要 肌肉運動時會有微小的生物電變化，表面肌電圖作為一種無創的檢測方法來檢測這種生物電變化，運動時肌電圖的振幅、頻率等指標均會產生相應的變化，而且這些變化與運動過程中肌肉疲勞度存在密切相關性。隨著肌肉疲勞的發生和發展，表面肌電信號的FFT曲線可以發生不同程度的左移現象，并且導致反映頻譜曲線特征的MPF和MF產生相應的下降，時域指標隨疲勞的出現而產生線性上升，由此sEMG可以對機體運動的疲勞閾值做出準確的檢測，肌肉活動誘發肌肉疲勞過程中sEMG信號變化的生理學機制目前學認為與大腦皮層運動中樞的激活水平（Activation）、中樞驅動（Drive）、運動神經原的興奮發放頻率、同步化程度及肌細胞膜動作電位傳導速度下降因素的共同作用有關。

關鍵詞 表面肌電 運動性肌肉疲勞 時域 頻域

1運動性肌肉疲勞時sEMG的變化

運動性肌肉疲勞是指由運動誘發的神經肌肉系統最大作功能力或者最大隨意收縮能力暫時下降的現象，無論是動態還是靜態運動，伴隨著運動性疲勞的發生表面肌電圖信號也會發生相應的改變，大多數研究結果表明從初始態到疲勞態，sEMG時域值在運動至疲勞過程中的總趨勢是上升，頻率下降，主要表現在iEMG和RMS增大，MPF和MF下降以及功率譜曲線左移。有研究認為，隨著肌肉疲勞的發生和發展，EMG 和RMS 呈線性增加，肌電圖疲勞閾（Electromyographic fatigue threshold，EMGFT） 是一種旨在檢測和判斷肌肉負荷強度閾值的實驗方法，該方法是建立在不同負荷強度運動時iEMG與運動負荷持續時間（通常為60sec） 呈直線性相關的實驗事實基礎上進行的，通過檢測不同強度、維時60sec的運動中主要運動肌iEMG與持續時間關聯直線的斜率值，建立負荷強度—斜率關系曲線來進行。但EMGFT卻明顯大于臨界功率值（169.5？2.8W ），盡管其間也存在明顯的統計關系（0.869）;然而，最近有人對EMGFT方法的準確性卻提出另外的看法。Palate等在探討EMGFT是否能成為預測非疲勞運動強度的方法時發現，雖然EMGFT有較好的重復性，但被試分別以85、100、115、130 和145%的EMGFT強度運動至疲勞的功率—疲勞時間曲線卻顯示，被試的非疲勞運動強度（維時30和60min 運動的強度）分別為151W和125W，其數值明顯低于EMGFT（260？1W）和262？2W），證明EMGFT不能準確預測非疲勞運動強度;為進一步探討應用EMG預測疲勞閾的可靠性，Housh等對股四頭肌不同成份在EMGFT實驗中的變化進行了深入研究，Housh等設想，由于肌纖維類型的差異，不同部分的股四頭肌在相同運動負荷時的iEMG將有所不同，而最大的非疲勞運動強度將由最低的EMGFT的肌肉來決定，為此，Housh等在實驗中同步對股外?。╒L），股直股（RF）和股內肌（VM）的EMGFT進行測量，結果發現其間存在明顯統計差異（VL：248？1W，VM：223？3W，RF：220？0W），證明以iEMG預測疲勞閾尚需對被檢肌肉或電極放置部位進行研究。

2運動性肌肉疲勞發生時sEMG變化的機制

（1）中樞機制主要是指人腦皮層及運動神經元疲勞時放電頻率的減弱和運動單位興奮的同步化的降低，中樞機制的作用途徑和方式目前尚不完全清楚，可能與運動神經原的興奮發放頻率及其同步化程度等有關。有研究表明，不同肌肉在進行最大隨意運動時常伴有運動單位放電頻率（Motor unit firing rate，MUFR）的下降。另外，直接測定人體肌肉自運動初期至極度疲勞過程中的MUFR也發現，其數值由100 Hz降至約20 Hz水平，初步表明興奮發放頻率可能是中樞機制的一種。但也有研究不同意這種觀點，他們認為MPF的下降常伴有EMG譜功率值的增加，而后者可能與已活動的運動單位放電頻率增加或額外運動單位的募集有關，不同強度運動所引起的EMG頻率成份變化與肌力變化無明顯相關。此外，也有人發現，低負荷收縮時，MPF隨負荷增大而略有增加，而在完成25%MVC以上負荷時，MPF變化也不完全依賴于負荷的大小。

（2）外周機制主要包括：①肌內壓升高，使血流受阻，引起肌細胞膜通透性發生變化，導致動作電位傳導速度下降;②因快肌運動單位很快疲勞，募集更多的未疲勞的慢肌運動單位參加工作;③肌肉運動時局部酸性代謝產物堆積，肌肉運動時產生的細胞外K+或乳酸濃度的增加將直接導致肌膜傳導速度的降低，有關肌肉疲勞時MPF下降與肌乳酸累積呈明顯統計負相關的研究，是支持這一觀點的主要實驗證據，另一方面肌肉細胞內K十含量減少，而細胞外液鉀離子含量增加，體外實驗研究表明：當細胞內K+從182毫摩爾降到134毫摩爾，肌細胞膜電位就從-75 mV降至-57 mV，說明細胞外高K+可降低動作電位幅度，減慢興奮傳導速度，阻斷興奮-收縮耦聯。但近年來在代謝方而研究結果有爭議，有人研究運動時肌肉中并不產生乳酸的磷酸化酶缺乏的患者，發現其肌肉經過運動后仍發生sEMG頻譜左移現象，并認為sEMG頻譜左移與pH的下降并無因果關系，所存在的相關性，可能只是同屬代謝機能下降的表現而已。

參考文獻

[1] 楊小嘩，熊開宇.積分肌電對青年男子股四頭肌的疲勞評價[J].沈陽體育學院學報，2004（23）.

[2] 聶金雷，張勇.運動性疲勞的肌電圖特征[J].天津體育學院，2000，15（02）.

[3] 王健.等長負荷誘發腰部脊豎肌疲勞時sEMG的變化[J].中國體育科技，2000，l2（36）.