肌肉組織疲勞過程的超聲衰減特征

李培暢， 崔付俊， 李霖， 劉昕， 李永放， 郭建中*

(陜西師范大學 物理學與信息技術學院， 陜西 西安 710119)

摘要：基于超聲波在生物軟組織中的傳播機理以及肌肉疲勞過程中組織厚度、彈性等特征的變化，研究了超聲衰減特性與肌肉疲勞過程的相關性，理論分析了超聲波幅度隨肌肉疲勞的變化規(guī)律。設計針對右肱二頭肌的實驗，探討了激勵聲波在逐漸疲勞的組織中傳輸?shù)捻憫?guī)律。同步采集表面肌電信號，研究肌肉疲勞過程中肌電信號與超聲衰減特征的相關性。理論分析及實驗結果表明，在肌肉疲勞過程中，隨著疲勞程度的增強，超聲波傳輸后平均能量幅度逐漸減小，其減小趨勢滿足指數(shù)衰減規(guī)律，同時同步采集的表面肌電信號均方根值呈線性增加趨勢。

關鍵詞:超聲波； 幅度； 衰減； 肌肉疲勞； 表面肌電信號

中圖分類號:TP391.42 文獻標志碼: A

文章編號：1672-4291(2015)01-0051-05

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2015.01.311

收稿日期：2013-11-23

基金項目：陜西省13115科技創(chuàng)新重大科技專項項目(2010ZDKG—36)

文章編號：1672-4291(2015)01-0047-04

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2015.01.214

收稿日期：2014-06-27

基金項目：國家自然科學基金資助項目(21402114); 陜西省自然科學基礎研究計劃項目(2012JQ1002);陜西師范大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目(20140718011);陜西師范大學大學生勤助科研資助項目(QZZD14024)

The attenuation of ultrasonic wave in the fatigue muscle tissue

LI Peichang, CUI Fujun， LI Lin， LIU Xin， LI Yongfang, GUO Jianzhong*

(School of Physics and Information Technology, Shaanxi Normal University,

Xi′an 710119, Shaanxi, China)

Abstract:Based on the mechanism of ultrasonic wave propagation in biological soft tissue and the muscle thichness change in the fatigue process,the relationship between ultrasonic attenuation and muscle fatigue are studied.The variations of the ultrasonic amplitude in muscle fatigue are analyzed.Then the corresponding experiments were designed to verify such relation.The surface electromyogram signal synchronized were collected in order to obtain the relationship between the surface electromyogram signal and the ultrasonic attenuation.The results show that the ultrasonic amplitude decreases as an exponential function in fatigue process and the RMS value of the surface electromyogram signal increases linearly.

Key words: ultrasonic wave; amplitude; attenuation; muscle fatigue; surface electromyogram

肌肉疲勞是肌肉組織的一個重要運動特征[1]，處理不當會嚴重影響人們的日常生活質(zhì)量以及體育運動的訓練效果，準確估計肌肉疲勞程度可以有效減小運動員在比賽訓練中受傷的風險[2-3]。已有研究表明，從人體骨骼肌表面電極記錄的神經(jīng)肌肉活動時發(fā)出的表面肌電信號(Surface Electromyogram，SEMG)，包含有與肌肉收縮相關聯(lián)的神經(jīng)及肌肉特征，可以較方便地評價肌肉功能狀態(tài)[4-5]。1851年法國科學家Duois Reymond首次檢測到人體肌肉收縮時產(chǎn)生的電信號，而后SEMG就廣泛地應用于肌肉特征的研究[6]。文獻[7]對人的局部肌肉疲勞的肌電表現(xiàn)研究表明,隨著肌肉疲勞，SEMG的均方根值(RMS)有線性增加趨勢，之后研究者們進一步證明了這一結論，從而利用這一參數(shù)的變化可逆向估計肌肉的疲勞狀態(tài)[8-11]。由于SEMG屬于極其微弱的生物電信號[12]，受噪音干擾影響大，常常淹沒在噪聲信號中使得其在幅度上呈現(xiàn)固有的不穩(wěn)定性[13-14]，而基于肌肉疲勞的生化指標評估疲勞程度的方法需要對人體有創(chuàng)傷的進行評價[15]。

近年來研究人員開始探討超聲參數(shù)與肌肉功能之間的關系來評估肌肉疲勞。2003年Hodges等研究了超聲成像對肌肉收縮的測量[16]，之后McMeeken等研究了腹橫肌厚度與SEMG變化的相關性[17]。2005年胡躍輝等通過檢測超聲圖像中肌肉厚度的變化估計肌肉疲勞，但這種超聲圖像檢測方法，無法實現(xiàn)對圖像的實時處理[9]。嚴碧歌通過采用脈沖反射法探討了超聲對肌肉組織超聲傳輸特性[18-19]，表明肌肉組織超聲傳輸衰減特性具有隨纖維方向結構變化特征，對研究生物軟組織聲學特征及其臨床應用具有參考價值。

本文基于超聲波在肌肉組織中的傳播機理，分析疲勞過程中的肌肉組織超聲波傳輸衰減特征，設計相應的實驗研究在肌肉靜態(tài)疲勞收縮過程中超聲激勵信號在逐漸疲勞的肌肉組織中的傳輸規(guī)律，得到肌肉疲勞狀態(tài)與超聲衰減特征的規(guī)律，以及與同步采集的SEMG估計肌肉疲勞的相關性，以探尋一項方便快捷、適合在線實時檢測肌肉組織疲勞的技術。

1肌肉組織疲勞過程中超聲傳輸衰減的理論分析

超聲波在介質(zhì)中傳播時，會因波前擴展和材料內(nèi)摩擦以及界面散射造成超聲能量衰減[20]。平面聲波在介質(zhì)中沿直線方向傳播時，根據(jù)朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律的推導，其振幅衰減[21]可表示為

A=A0e-αx。

(1)

式中:A0為最初的聲波幅度，A為聲波經(jīng)過x距離后的幅度,α是介質(zhì)的衰減系數(shù)。

超聲圖像檢測發(fā)現(xiàn)，疲勞過程中肌肉的厚度隨時間變化有非線性增加[10,22]，肌肉厚度的增加量Δx與時間t(t≤30 s)的關系[23-24]為

Δx=8.09x0e-0.006t-6.69x0e-0.093t。

(2)

式中:x0為超聲波經(jīng)過的目標肌肉的初始厚度，Δx為隨著疲勞肌肉厚度的增加量。

超聲傳播過程中，如果傳輸距離增大Δx，由式(1)可得

A=A0e-α(x0+Δx)。

(3)

將式(2)代入式(3)得到

A/A0=e-α(x0+8.09x0e-0.006t-6.69x0e-0.093t) 。

(4)

測量受試者右肱二頭肌[25]橫向平均厚度x0為4 cm，參照文獻[18]超聲在肌肉組織橫纖維方向傳播時[18-19]衰減系數(shù)α為5.75 dB/cm2，將二者代入(4)式得到肌肉組織疲勞過程中時間與幅度的函數(shù)關系式為

A/A0=e-23e-186.07e-0.006te153.87e-0.093t。

(5)

式(5)中幅度隨時間變化如圖1，可得肌肉組織疲勞過程中幅度衰減近于指數(shù)形式的單調(diào)減函數(shù)。

圖1 疲勞過程中超聲波幅度隨時間變化圖

對于衰減系數(shù)α，在測量生物組織聲衰減的理論分析中，衰減系數(shù)與聲源頻率相關[26]，改變聲源頻率可以得到不同頻率下生物組織的超聲衰減系數(shù)，經(jīng)過曲線擬合可表示為

α=α0fβ。

(6)

式中α0是衰減常數(shù)，在1~7 MHz頻率范圍[27]內(nèi)β的值為1.07~1.14。由公式(6)可知生物組織聲衰減系數(shù)隨入射頻率f的變化關系，那么隨著f增大，衰減系數(shù)α越大,衰減程度隨之加強。

2 實驗

公式(5)表明隨著肌肉疲勞過程中肌肉厚度Δx逐漸增加，聲波幅度A的衰減近似一個指數(shù)函數(shù)衰減。公式(6)表明隨著入射聲波頻率f的增大，超聲波的衰減系數(shù)α增大，聲波衰減程度增強。

2.1實驗設計

針對肌肉疲勞過程中超聲波幅度衰減規(guī)律滿足指數(shù)函數(shù)衰減以及超聲波幅度衰減與入射的超聲波頻率相關，我們設計了肌肉組織疲勞過程中的超聲傳輸衰減測量實驗，如圖2所示。其中由計算機控制信號發(fā)生器(RIGOL，型號DG3101A)產(chǎn)生相應的激勵信號，激勵超聲換能器[28-29](OLYMPUS，型號A306S—SU)產(chǎn)生超聲波在肌肉組織中傳輸，由另一端換能器(OLYMPUS，型號A327S—SU)接收，計算機控制示波器(TELEDYNE LECROY，型號HD4096)采集數(shù)據(jù)并顯示響應信號，同時目標肌肉處由多導運動生物電記錄分析儀(Biovision，16/32便攜式)同步采集SEMG。

肌肉組織疲勞測量方法：受試者(分別對6名受試者進行實驗，男性，平均年齡25周歲)坐在帶有等速肌力測試系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)椅(北京普康科健醫(yī)療設備有限公司，型號ISOMED— 2000)上，身體由背帶固定用以限制測試中受試者姿勢的變化，右臂前臂固定，手握力矩桿施力。

圖2　實驗裝置示意圖

為統(tǒng)一不同體質(zhì)受試者的施力情況，用各受試者的最大自主收縮力矩對其施力情況進行歸一化處理[30]。最大自主收縮力矩測量法是:受試者進行3次等距的最大自主收縮，即手握力矩桿使出最大的力矩的平均值，定義為最大自主收縮力矩[31]。實驗開始時，要求受試者對力矩桿施加最大自主收縮力矩50%的力，并保持該力，開始調(diào)頻信號、SEMG的數(shù)據(jù)采集。每位受試者測試時間為300 s。實驗裝置如圖3所示。

圖3　超聲傳輸衰減測量系統(tǒng)

2.2數(shù)據(jù)采集

2.2.1 超聲調(diào)頻信號的激勵與采集為更準確測量實際超聲能量，選取調(diào)頻信號為激勵來研究其響應的衰減情況。調(diào)頻信號通過換能器及肌肉組織后較穩(wěn)定[32]，在接收端的響應不易受噪聲干擾，便于觀察信號變化規(guī)律。將兩個超聲換能器分別置于右肱二頭肌兩側(cè)，由鐵架臺及夾子固定，在換能器與皮膚之間填充耦合劑(TM-100型醫(yī)用超聲耦合劑)。信號發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)頻信號連接輸入端換能器[33]，經(jīng)逐漸疲勞的肌肉組織傳輸至接收端換能器(中心頻率為10 MHz)[34]由示波器顯示波形。計算機編程控制示波器每間隔15 s采集一次數(shù)據(jù)，持續(xù)300 s，整理數(shù)據(jù)，采集到響應的調(diào)頻信號(以輸入端換能器中心頻率2.25 MHz為例)如圖4所示。

圖4　肌肉疲勞過程中不同時間點的超聲調(diào)頻信號

2.2.2 SEMG數(shù)據(jù)采集同步調(diào)試多導運動生物電記錄分析儀，連接電極貼片(陽光牌一次性使用心電電極，100-A型)，用酒精棉輕抹置放電極處皮膚，以減低電阻，貼上兩張電極貼片，再選擇適當位置貼一張電極貼片作為參考電極，計算機控制，與超聲信號同步采集300 s，采集到的SEMG如圖5所示。

圖5　采集的表面肌電信號

3 實驗結果分析

3.1 超聲信號衰減擬合曲線的選擇

模型擬合的好壞程度用決定系數(shù)(R2)來衡量[35]，確定系數(shù)的正常取值范圍為0~1，越接近1表明變量的解釋能力越強，模型對數(shù)據(jù)的擬合也越好。對疲勞過程中調(diào)頻信號的幅度積分求平均值，由計算機擬合不同的函數(shù)模型，分別為線性函數(shù)、二次函數(shù)以及指數(shù)函數(shù)，如圖6(輸入端換能器中心頻率為2.25 MHz時的數(shù)據(jù))和如圖7(輸入端換能器中心頻率為5 MHz時的數(shù)據(jù))?？梢钥闯?，當受試者手握力矩桿維持最大自主收縮力矩50%的力，肌肉逐漸疲勞，響應信號的幅度衰減。分別比較線性函數(shù)、二次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)3種模型[36]的確定系數(shù)發(fā)現(xiàn)，指數(shù)函數(shù)的擬合度最高，對數(shù)據(jù)解釋能力最強。結合理論分析，信號幅度衰減近似于指數(shù)函數(shù)形式衰減。因此選擇指數(shù)形式為擬合方式。

圖62.25 MHz時不同模型的曲線擬合

Fig.6 Curve fitting with different models for 2.25 MHz

圖7　5 MHz時不同模型的曲線擬合

3.2 超聲頻率變化對衰減的影響

肌肉組織疲勞的超聲波衰減特征實驗中，以調(diào)頻信號為激勵信號，固定接收端中心頻率為10 MHz的超聲換能器，改變輸入端換能器中心頻率以產(chǎn)生不同入射頻率的超聲波，分別取中心頻率為1、5、7.5 MHz的換能器進行實驗。探索不同的入射波頻率[37]對響應調(diào)頻信號幅度衰減的影響，整理分析采集到的數(shù)據(jù)，當輸入端換能器中心頻率不同時響應信號的平均幅度曲線如圖8所示。隨時間肌肉逐漸疲勞，響應信號的幅度都逐漸下降，趨勢均近似指數(shù)函數(shù)下降。對比發(fā)現(xiàn)：1 MHz時曲線下降率為4.27%，下降最為平緩；5 MHz時下降55.49%；而在輸入端為中心頻率7.5 MHz的換能器時下降85.10%，下降趨勢最陡,即衰減程度最大。

圖8　不同入射頻率的響應信號

3.3疲勞過程中超聲衰減與SEMG變化規(guī)律的相關性

如圖9a、9b所示當輸入端換能器中心頻率分別為2.25、5 MHz時，超聲波經(jīng)過疲勞的肌肉組織，由接收端換能器接收到的響應信號平均幅度值都在逐漸衰減。同步采集的SEMG，之后處理數(shù)據(jù)分析其均方根值變化規(guī)律如圖9c、9d所示。當目標肌肉組織逐漸疲勞時，SEMG的均方根值呈線性增加的趨勢。對比圖9研究超聲衰減與SEMG變化規(guī)律的相關性發(fā)現(xiàn)，同步肌肉疲勞實驗過程中，隨著超聲波幅度逐漸衰減，SEMG均方根值呈線性增長趨勢。

圖9幅度下降曲線與肌電信號變化規(guī)律對比圖

Fig.9Ultrasonic response signal amplitude decreased as EMG variation curve comparison chart

從實驗結果可以發(fā)現(xiàn)：(1)超聲波在逐漸疲勞的肌肉組織中傳輸后，其幅度逐漸減小，用不同函數(shù)模型擬合發(fā)現(xiàn)，指數(shù)函數(shù)的確定系數(shù)最高，說明超聲波幅度衰減滿足指數(shù)函數(shù)的衰減規(guī)律。(2)隨著肌肉組織疲勞，改變?nèi)肷涑暡l率，發(fā)現(xiàn)同一頻率對應的幅度曲線均逐漸下降，并且隨入射頻率的增大，對應的幅度下降曲線變得更陡峭，即衰減增強，衰減系數(shù)增大，由此所得在逐漸疲勞的肌肉組織中，隨著超聲波入射頻率的增大，衰減增強。(3)實驗過程中，所采集到的SEMG的均方根值呈線性增長趨勢，結合已有研究[10]，驗證了超聲波經(jīng)過的目標肌肉組織處于實驗所要求的逐漸疲勞狀態(tài)。(4)研究肌肉疲勞過程中超聲波衰減特征與SEMG變化規(guī)律的相關性發(fā)現(xiàn)，隨著SEMG的均方根值線性增加，同步經(jīng)過目標肌肉的超聲波幅度在非線性衰減，并且其衰減形式滿足指數(shù)函數(shù)形式衰減。

4 結果與討論

本文基于超聲波在肌肉組織中的傳輸機理，對疲勞過程中的肌肉組織超聲波傳輸衰減特性進行了理論分析，并設計實驗，所得實驗結果與理論分析一致，在傳輸過程中隨組織疲勞，超聲波幅度衰減且滿足指數(shù)形式的衰減；分析衰減系數(shù)與入射超聲波頻率的關系，得出隨著入射超聲波頻率的增大，幅度衰減程度加大，衰減系數(shù)增大。實驗同步采集的SEMG的均方根值呈線性增長趨勢，并且隨SEMG的均方根值線性增加，同步經(jīng)過目標肌肉的超聲波幅度在非線性衰減。另外，我們發(fā)現(xiàn)，換能器的位置對回波信號的大小以及信噪比有一定影響，但并不影響實驗結果。

研究肌肉疲勞過程中的超聲衰減特性，分析超聲波通過逐漸疲勞的肌肉組織后的幅度變化規(guī)律，可以將該規(guī)律應用在實際生活或者運動員的日常訓練中。可以通過判斷超聲波幅度衰減的程度來估計肌肉疲勞程度[38]，從而進行科學合理的訓練。在實驗過程中，激勵響應信號的強度遠大于SEMG的強度，因此受到周圍環(huán)境干擾的程度小，所得響應信號失真度小。本實驗首次設計了一套肌肉組織疲勞過程超聲傳輸衰減測量系統(tǒng)，可以定性判斷肌肉疲勞程度，在運動學以及醫(yī)學領域有著非常重要的意義。后續(xù)工作中，對于設計的測量系統(tǒng)，在精度與裝置簡易方面要做進一步優(yōu)化；探討不同因素對測量的影響，比如超聲換能器的位置；另外，需要對響應信號在頻域范圍[39]內(nèi)進行擴展分析。

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〔責任編輯 李博〕

第一作者：張文發(fā)，男，碩士，研究方向為酚醛樹脂及衍生制品。E-mail:wfzhang@stu.snnu.edu.cn

*通信作者：劉春玲，女，教授,博士生導師。E-mail: clliutt@snnu.edu.cn

第一作者：郝長春, 男, 講師, 博士, 研究方向為生物物理學。E-mail: haochangchun@snnu.edu.cn