牛英鵬

摘要：目的 探索用肌肉超聲圖（SMG）檢測肌肉疲勞變化特征的新方法。方法 用SMG檢測受試者肱二頭肌做等長收縮至疲勞過程中圍度的變化，同步記錄表面肌電圖（SEMG）信號做為對照，結合肌電信號的均方根（RMS）和中心頻率（MDF）變化檢測肌肉的疲勞。結果 表面肌電RMS隨時間呈線性增加變化（2.9±1.9%/s），而MDF呈線性減少變化（0.60±0.26 Hz/s）。用超聲圖檢測出肌肉疲勞時厚度呈持續(xù)性增加，但與時間不呈線性關系。在起始8.1±2.1s有一個快速增加階段，平均變化率為0.30±0.19％/s，隨后增幅減慢，變化率為0.067±0.024％/s，一直持續(xù)到收縮后20s。在肌肉收縮20s時的變化率為3.5±1.6％/s。結論 使用SMG檢測肌肉形態(tài)結構的變化可為表面肌電評估肌肉疲勞提供有力的補充信息。

關鍵詞：肌肉疲勞；超聲圖（SMG）；肌電圖（EMG）

中圖分類號：G804.21文獻標識碼：A文章編號：1007-3612(2008)02-0205-03

肌肉疲勞是由運動引起的肌肉最大隨意收縮力量減小的現(xiàn)象，在運動訓練和日常生活中經常發(fā)生。它大致可分為兩種類型：1） 中樞性疲勞，疲勞發(fā)生的部位在腦細胞和運動神經元，前者表現(xiàn)為中樞抑制性遞質增多、皮層細胞興奮性減弱、發(fā)放神經沖動頻率減慢。后者表現(xiàn)為當代謝產物堆積時，可使第3．4類傳入神經沖動增強、許旺氏細胞興奮性增高，從而引起運動神經元發(fā)放沖動減慢，工作能力下降。2） 外周性疲勞，疲勞發(fā)生的部位及表現(xiàn)可能為神經-肌肉接點前膜乙酰膽堿分泌量不足的"突觸前衰竭"或不能迅速水解而導致后膜處于持續(xù)去極化狀態(tài)、肌細胞膜結構改變、興奮-收縮解偶聯(lián)和肌肉收縮蛋白結構和機能異常等［1］。探索肌肉疲勞的機制、評價肌肉疲勞的程度、尋找改善肌肉疲勞的方法對提高訓練效果、增強運動競技水平具有重要作用。目前，用于評價肌肉疲勞的方法有很多，包括生理指標測定、自我感覺和一般觀察法等。例如攝氧量、心率、肌力、表面肌電（SEMG）［2，3］等的測定就是較為常用的測試手段。

肌肉的疲勞是肌肉活動時的一種進行性過程，而不是某一個時間點上的功能減退。在疲勞的發(fā)展過程中監(jiān)測生理學指標的瞬時變化情況是非常重要的。表面肌電圖（SEMG）信號包含有肌肉收縮時的神經肌肉活動特點，因此它已經被認為是評估肌肉疲勞較客觀的無創(chuàng)傷性工具。肌電信號的均方根（RMS）和中心頻率（MDF）是評估肌肉疲勞的常用指標。然而在肌肉收縮時，其形態(tài)變化特征、聲學特征同樣與疲勞發(fā)生過程有著密切的關系［4，5］。所以，選擇其他信號系統(tǒng)結合SEMG進行疲勞分析診斷，是一種非常有意義的探索。比如，檢測肌肉收縮時產生聲音和震動的機械圖（肌動描計圖MMG），還有近紅外光譜檢測都可用來評價肌肉的疲勞［6,7］。

上世紀90年代初，超聲圖已經用于測量肌肉等長收縮和動力性收縮時肌肉厚度［8,9］、肌束長度和肌肉橫斷面［8,10］的變化。由于這些肌肉形態(tài)結構的參數與肌肉功能有很高的關聯(lián)［11］，因此它們可用于描述肌肉收縮時的特性。最近，一些研究人員研究在肌肉近似靜態(tài)［8,12,13］以及動態(tài)［14,15］下一些超聲參數與EMG變化的關系。然而，卻未見有人用超聲信號結合EMG信號去研究肌肉疲勞。本研究的主要目的是通過SMG連續(xù)探測肌肉厚度的變化以反映肌肉疲勞特征的可行性。采用18名正常成年男子，肱二頭肌做等長收縮，同時采集其表面肌電信號和超聲信號，獲得表面肌電參數以及肌肉形變情況。描述肌肉疲勞時形變信號特征，對其用來評估肌肉疲勞的可能作用進行探討。

1研究對象與方法

1．1研究對象

18名健康男性自愿者，身體基本參數為，年齡：(20±1)歲y；身高：(175±3)cm；體重：(68±5)kg。受試者均身體健康，無神經肌肉功能疾病史。

1．2研究方法

1．2．1實驗方法調整Cybex儀器（Ronkonkoma，美國）的座椅，使受試者安坐舒適。用皮帶將軀干固定在椅背上，防止測試中姿勢改變。前臂置于一個專用的固定支架上，手握一個垂直杠桿臂。屈曲肘部與上臂呈90度，前臂保持與地面平行。杠桿臂軸線與肘關節(jié)旋轉軸呈平行位，手保持在旋前與旋后位中間。以右臂為測試手臂，18名受試者均為右利手臂。

先進行幾次熱身性收縮練習后，每位受試者進行三次最大隨意等長收縮（MVC），收縮時肘關節(jié)要屈至90度。通過電腦顯示屏可以顯示出實時力矩值。每次MVC大約持續(xù)3 s，與下次收縮的休息間隔時間為60 s。每位受試者MVC力矩取三次收縮的最大力矩平均值。

在實驗開始時，讓受試者屈肘對抗杠桿臂保持在80％MVC處［16］，可通過電腦給出該力矩值。當力矩值下降至約70％MVC時停止測試。在力矩達到80％MVC時采集如下數據：力矩（Ronkonkoma，美國）、超聲圖（180Plus，美國）、SEMG（MyoSystem1200型，美國）。在測試過程中用語言不斷鼓勵受試者，使其注意力保持集中。通常，所有受試者最長耐受時間均不超過30s。在同樣條件下每位受試者連續(xù)測試三次，每次休息間隔至少為5min［17,18］。

用測力計測量肘屈的力矩，通過放大裝置將力矩信號放大并與SEMG、超聲影像信號同步輸入并顯示在電腦上。

1．2．2數理統(tǒng)計所有數據均采用SPPP9．0統(tǒng)計軟件進行處理。以X±SD表示，組間檢驗采用t檢驗，以p＜0．05為差異性顯著的界值。

2結果

在SEMG信號中，RMS和MDF為衍生數據，肌肉的形變是從超聲圖中獲得的。

所有受試者測試結果均顯示出相似的趨勢。圖1和圖2（可由儀器程序生成）顯示實驗中某一測試者SEMG的RMS和MDF值的代表性結果。在肌肉疲勞過程中RMS值隨時間增加，而MDF值隨時間減小。SEMG參數的變化驗證了在實驗中測試肌已有疲勞表現(xiàn)。圖3顯示肌肉的形變情況（與圖1，2為同一受試者），在收縮過程中肌肉厚度明顯增加，但卻呈復雜的非線性變化。

18個受試者RMS和MDF的平均變化率分別為2．9±1．9％/s和－0．60±0．26Hz/s，平均肌肉變形率為3．5±1．6％。在肌肉開始收縮的前幾秒，厚度迅速增加，18名受試者的平均增加率可達0．30±0．19％/s。我們把這個定義為肌肉初始變形率，持續(xù)8．1±2．1 s，然后肌肉厚度增加變得緩慢，僅有一個小幅度的變化率0．0067±0．024％/s，一直到力矩開始變得上下波動，此時說明受試者不能再繼續(xù)耐受指定的力矩。我們把這個低變化率階段稱為肌肉的穩(wěn)定變形率。肌肉初始變形率和穩(wěn)定變形率之間的過渡時間為臨界時刻，用兩個線性變化趨勢的交叉點來計算，如圖3所示。從圖3可以看出肌肉變形在大約25s時達到峰值，然后開始下降。這是因為受試者不能再維持80％MVC，力矩出現(xiàn)上下波動。對于所有受試者來說，該現(xiàn)象出現(xiàn)在20～30 s之間。但是，在RMS和MDF中未顯現(xiàn)出這種力矩開始波動的現(xiàn)象（如圖1，2）。

將肌肉的變形與SEMG參數進行線性回歸分析，R²值均小于0．3，表明在肌肉疲勞過程中尚觀察不到肌肉變形與SEMG參數系統(tǒng)有明顯相關性。

3討論

通過RMS值的增加和MDF值的減小證實了被測肌肉達到疲勞狀態(tài)。同時也觀察到，肌肉在開始收縮的前幾秒鐘厚度迅速增加，然后進入緩慢增加階段，直到受試者不能再維持80％MVC時，力矩出現(xiàn)上下波動。這種肌肉形變率的轉變可用收縮過程中運動單位的募集以及代謝率來解釋。

在本實驗中，由于受試者要保持一個恒定的力矩，直到不能堅持，并且關節(jié)角度也要始終保持固定。所以我們可以這樣解釋，當肌肉在疲勞的進展過程中，會有越來越多的運動單位被募集，用于補償失去收縮能力的肌纖維，進而保證力量的不斷產生。由肌絲滑行理論可知，新近被募集的肌纖維要發(fā)生縮短以產生足夠的力量維持力矩，因此其側面的圍度在一定區(qū)域內就會增加。此外，最近有報道表明，當腓腸肌在持續(xù)等長收縮至疲勞的過程中，近中部的肌束長度顯著減?。?4］。在持續(xù)等長收縮時，相應肌腱的長度變化，以及所導致的肌肉縮短，可以說明上述肌束的變化［14］。由于在肌肉收縮時體積是保持恒定的，當肌肉縮短時必定會引起橫截面積的增加，也就是肌肉厚度增加。我們在實驗中發(fā)現(xiàn)肌肉持續(xù)等長收縮時厚度增加，這與近期的相關研究結果是相一致的［14］，盡管是一些來自對肌肉不同方面的研究。隨著研究的不斷深入，今后應該探索出更好的測量方法，為肌肉收縮時的變化找到最佳解釋。

曾有報道，肌肉在持續(xù)性收縮的的初始階段，所產生的聲波振幅（肌動描計圖MMG）顯著增加，而當力竭時又明顯下降［6］。肌肉收縮時，記錄的聲波是由所有運動單位震動的總和所產生的。本實驗中觀察的現(xiàn)象與他們的結論相一致。但所涉及的機制，以及肌肉疲勞時記錄的不同類型信號之間的關系仍然需要進一步深入研究。

在SEMG信號系統(tǒng)中，我們觀測不到有關力矩起伏或者一種過渡狀態(tài)的任何跡象（圖1、2）。RMS和MDF在整個測試過程中一直呈線性增加和減少，即使在所測力矩出現(xiàn)起伏變化后也未見這兩個指標有改變發(fā)生。而相反，肌肉變形的表現(xiàn)卻清楚地表明力矩的波動。肌肉的變形可能和MMG類似，反映的是肌肉的一種機械性的活動，而SEMG卻是反映電信號的變化。當肌肉發(fā)生疲勞時，運動神經元仍然會持續(xù)性的激活，并維持同樣的放電效率以試圖保證肌纖維能夠繼續(xù)產生足夠的力量，所以就導致了SEMG幅度的持續(xù)增加，但是肌纖維卻不能產生相應的收縮力，于是就引起力矩的波動。肌肉的電活動與機械性收縮之間產生了分離現(xiàn)象。因此，假如我們結合肌肉的變形和SEMG信號，可能對描述肌肉的疲勞特征會更有幫助。

4結論

在本實驗中使用實時超聲圖信號檢測出肌肉變形信息，證實了用該方法描述肌肉疲勞的可行性。同時，結合SEMG信號監(jiān)測了肱二頭肌在等長收縮時的疲勞狀況。結果顯示，肱二頭肌在達80％MVC后，開始前大約8s期間，肌肉厚度迅速增加，然后進入緩慢增加階段，中間明顯存在階段性轉折。另外，通過SMG還可以觀察到，當肌肉不能維持原來的收縮力量時所表現(xiàn)出的力矩波動現(xiàn)象。對于上述兩種表現(xiàn)，在SEMG參數中（RMS和MDF）均不能體現(xiàn)出來。

總之，肌肉的變形信號與SEMG信號相結合可以更加全面地對肌肉疲勞作出評價。對于用該方法監(jiān)測肌肉疲勞的可行性，還需要通過對不同性別、年齡、病理狀態(tài)的樣本進行研究加以證實。

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