李夢(mèng)楠 王妍

摘要 肌肉疲勞在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。本文以康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)為應(yīng)用背景，研究基于s EMG信號(hào)的肌肉疲勞分析。通過(guò)對(duì)10名健康受試者的負(fù)載遞增騎行實(shí)驗(yàn)，同步采集了不同肌肉的s EMG信號(hào)和通氣閾，并分析了不同肌肉的肌電閩。同時(shí)分析了等長(zhǎng)收縮和等張收縮對(duì)EMG_FT測(cè)定的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在遞增負(fù)載騎行運(yùn)動(dòng)中，EMG_FT的出現(xiàn)要早于通氣閩，但兩者相差很小，驗(yàn)證了基于EMG_FT來(lái)分析肌肉疲勞是有效的。通過(guò)對(duì)比股外側(cè)肌和豎脊肌的EMG_FT，結(jié)果顯示基于EMG_FT的肌肉疲勞分析對(duì)同收縮方式的肌肉均具有效果。EMG_FT不受肌肉運(yùn)動(dòng)形式限制，在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中能夠用于防止過(guò)度訓(xùn)練引起的肌肉損傷，對(duì)于股骨干骨折患者康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中的疲勞監(jiān)護(hù)具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】sEMG 信號(hào) 肌電疲勞閩值 通氣閾值 康復(fù)訓(xùn)練 肌肉疲勞

近年來(lái)，車禍發(fā)生率呈逐年遞增趨勢(shì)，造成骨折等外傷就醫(yī)患者大幅增加。其中，股骨骨折是最常見(jiàn)的骨折之一。股骨是人體最長(zhǎng)的管狀骨，俗稱大腿骨，用于支撐人體軀干及骨盆。對(duì)于骨折的治療，一般采用加壓鋼板、微創(chuàng)鎖定鋼板、髓內(nèi)針等手術(shù)治療方式。臨床上，以上方法均取得了良好的治療效果。骨折治療的后期康復(fù)周期相對(duì)較長(zhǎng)，為了促進(jìn)患者的快速康復(fù)，臨床上，患者常采用負(fù)載遞增的騎行運(yùn)動(dòng)進(jìn)行康復(fù)鍛煉。但由于股骨負(fù)重量大，且其周圍的股四頭肌是人體最有力的肌肉群，如果患者運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大或者時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致股四頭肌肌肉力驟增、體積增大，從而壓迫股骨及植入的鋼板、鋼釘。如果長(zhǎng)時(shí)間過(guò)度訓(xùn)練，很可能導(dǎo)致植入的鋼釘、鋼板發(fā)生形變，甚至開(kāi)裂，對(duì)患者造成二次傷害。同時(shí)，如果訓(xùn)練強(qiáng)度過(guò)小，又不會(huì)達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的效果。因此，合理的估計(jì)股四頭肌的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，為患者安排合理的運(yùn)動(dòng)量具有非常重要的意義。

肌肉疲勞是描述肌肉運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度常用的指標(biāo)之一。運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞是指運(yùn)動(dòng)引起肌肉產(chǎn)生最大收縮力量或者最大輸出功率暫時(shí)性下降的生理現(xiàn)象。即當(dāng)肌肉工作在疲勞狀態(tài)時(shí)，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度最高。因此分析康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中肌肉的疲勞特征，對(duì)于骨折患者的康復(fù)非常重要。目前，廣泛認(rèn)同肌肉運(yùn)動(dòng)達(dá)到無(wú)氧閩值（Anaerobic Threshold，AT）時(shí)，肌肉進(jìn)入疲勞狀態(tài)。測(cè)量AT常用的方法有血乳酸閾值測(cè)量法、通氣閾值（ Ventilator Threshold，VT）測(cè)量法和基于表面肌電（ Surface Electromyogram，sEMG）的測(cè)量法。其中，VT被認(rèn)為是測(cè)定AT的“金標(biāo)準(zhǔn)”。但VT測(cè)量裝置復(fù)雜、昂貴，且測(cè)試時(shí)需要佩戴呼吸面罩，測(cè)試者的舒適性較差。而sEMG具有無(wú)損傷性、及時(shí)性、多靶點(diǎn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

Matsumoto等[4]首次提出了應(yīng)用sEMG判斷肌肉負(fù)荷強(qiáng)度的方法，稱為肌電疲勞閾（ EMGFT）。S.-k.Kang等[5]通過(guò)對(duì)69名普通男性大學(xué)生進(jìn)行負(fù)載遞增騎行實(shí)驗(yàn)，分析了股外側(cè)肌的EMG_FT，并VT進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果顯示EMG_FT與VT均與疲勞具有高度的相關(guān)性。DuffTM等[6]對(duì)8名男性大學(xué)生進(jìn)行了不同梯度和轉(zhuǎn)速組合的增量騎行運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)比了不同組合下被測(cè)者股外側(cè)肌的EMG_FT。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示踩踏節(jié)奏和遞增梯度對(duì)EMG_FT的估測(cè)沒(méi)有影響。宋海燕等[7]分析了人體雙肩背部負(fù)重行走時(shí)主肌肉群sEMG信號(hào)的平均功率頻率。黃志強(qiáng)等[8]測(cè)定了青少年足球運(yùn)動(dòng)員股外側(cè)肌的EMG_FT，并檢驗(yàn)EMG_FT與VT及心率閾值（HRT）的相關(guān)性，結(jié)果顯不EMG_FT與VT相關(guān)度較高。盡管目前針對(duì)肌肉疲勞進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定的研究成果，但大多數(shù)研究未關(guān)注VT與EMG_FT測(cè)量數(shù)據(jù)的同步性問(wèn)題。此外，絕大多數(shù)研究重點(diǎn)關(guān)注等張收縮肌肉，而很少考慮等長(zhǎng)收縮肌肉對(duì)EMG_FT測(cè)定的影響。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)受試者進(jìn)行肌電閾與通氣閾同步聯(lián)合的負(fù)載遞增騎行實(shí)驗(yàn)，分別分析等長(zhǎng)收縮和等張收縮對(duì)EMG_FT測(cè)定的影響?？紤]骨折患者的安全性，本文選擇健康人進(jìn)行測(cè)試。本文旨在探討EMG_FT無(wú)損傷測(cè)定AT的可行性及有效性，以期為股骨干骨折患者的康復(fù)訓(xùn)練提供理論依據(jù)和參考。

1 基于EMG_FT的肌肉疲勞分析方法

1.1 sEMG信號(hào)預(yù)處理

首先對(duì)采集的sEMG信號(hào)進(jìn)行50HZ的陷波處理，濾除工頻干擾。然后對(duì)其按照式（1）進(jìn)行二階差分濾波處理，提高sEMG的信噪比。圖l為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一組數(shù)據(jù)濾波前后的對(duì)比。

1.2 EMGFT算法

得到濾波后的sEMG信號(hào)后，采用基于EMG_FT的方法來(lái)估計(jì)肌肉的疲勞。疲勞EMG_FT的算法流程如圖2所示。

具體步驟如下：

（1）采用濾波處理的sEMG，采用5s的時(shí)間窗，2秒的移動(dòng)窗，按照式（2）計(jì)算sEMG的均方根值。

（2）將所有均方根數(shù)據(jù)點(diǎn)分成A、B兩部分。前15個(gè)RMS數(shù)據(jù)點(diǎn)作為A，剩余的RMS數(shù)據(jù)點(diǎn)為B。對(duì)A、B兩部分?jǐn)?shù)據(jù)分別進(jìn)行一階最小二乘擬合，得到兩條直線，計(jì)算兩條直線斜率乘積。

（3）將A部分的15個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與B部分的第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成新A，剩余數(shù)據(jù)點(diǎn)為新的B，如果B中數(shù)據(jù)大于15，重復(fù)第2步，計(jì)算斜率乘積。

（4）如果B中數(shù)據(jù)小于15，計(jì)算所有斜率乘積的最大值，最大值所對(duì)應(yīng)的兩條直線的交點(diǎn)，即為EMG_FT。

2 實(shí)驗(yàn)仿真

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

為了保證實(shí)驗(yàn)的可靠性，本實(shí)驗(yàn)選擇10名男性志愿者參與本次實(shí)驗(yàn)，年齡（23.7土1.3）歲，身高（172.0土3.6） cm，體重（68.9土8.6）kg，體質(zhì)指數(shù)BMI（23.4土2.7）。志愿者均身體健康，無(wú)肌肉損傷等疾病。所有志愿者對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均完全知情且同意。受試者在實(shí)驗(yàn)前6個(gè)月內(nèi)，每周鍛煉不超過(guò)2次;實(shí)驗(yàn)前24小時(shí)內(nèi)，未參加劇烈運(yùn)動(dòng)。正式實(shí)驗(yàn)前，由實(shí)驗(yàn)組織者告知受試者實(shí)驗(yàn)?zāi)康募安襟E，并指導(dǎo)受試者學(xué)習(xí)使用Borg主觀量表評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。

2.2 數(shù)據(jù)采集

受試者首先按照規(guī)定要求穿戴好呼吸檢測(cè)設(shè)備和肌電電極，然后自行車上進(jìn)行負(fù)載為20W，時(shí)長(zhǎng)為2mm的熱身騎行。熱身結(jié)束后，受試者進(jìn)行初始負(fù)載功率為20W，負(fù)載功率以20W/min遞增的騎行運(yùn)動(dòng)，并同步記錄受試者的氣體數(shù)據(jù)和肌電數(shù)據(jù)。每一級(jí)負(fù)載中功率恒定不變。直到呼吸商（RER）穩(wěn)定在1.1-1.2之間時(shí)，測(cè)試結(jié)束。每級(jí)負(fù)載運(yùn)動(dòng)中期，受試者在組織者的幫助下完成Borg量表的評(píng)分。

sEMG數(shù)據(jù)采用美國(guó)NORAXON公司生產(chǎn)的16通道無(wú)線遙測(cè)表面肌電儀記錄，采樣頻率1500HZ。氣體分析數(shù)據(jù)采用德國(guó)JAEGER公司生產(chǎn)的Oxycon Mobile遙測(cè)運(yùn)動(dòng)心肺功能儀記錄，采樣頻率與受試者的呼吸頻率一致。測(cè)試前刮除被測(cè)者股外側(cè)肌、股直肌和豎脊肌周圍體毛，用75%酒精擦拭皮膚，保證采集數(shù)據(jù)的精度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及電極粘貼位置如圖3所示，電極延肌纖維走向貼于右腿外側(cè)肌和股直肌靠下2/3處和豎脊肌的凸起處，電極間隔約2cm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有四人由于電極脫落為采集到數(shù)據(jù)，實(shí)際有六人采集到數(shù)據(jù)。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用上述EMG_FT計(jì)算方法分析受試者股外側(cè)肌的疲勞時(shí)間，如圖4所示為其中一名受試者股外側(cè)肌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖可以看出，在5.42分鐘時(shí)達(dá)到EMG_FT，認(rèn)為股外側(cè)肌進(jìn)入疲勞階段。

利用上述EMG_FT計(jì)算方法分析受試者股直肌的疲勞時(shí)間，如圖5所示為其中一名受試者股直肌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖可以看出，在5 35分鐘時(shí)股直肌達(dá)到EMG_FT，認(rèn)為股直肌進(jìn)入疲勞階段。

同樣，利用上述EMGFT計(jì)算方法分析受試者豎脊肌的疲勞時(shí)間，如圖6所示為其中一名受試者豎脊肌的實(shí)現(xiàn)結(jié)果。由圖6可以看出，在5.58分鐘時(shí)達(dá)到EMG_FT，認(rèn)為豎脊肌進(jìn)入疲勞階段。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表l為受試者在同等負(fù)荷下，股外側(cè)肌EMG_FT和呼吸進(jìn)入通氣閾值疲勞的時(shí)間對(duì)比。由表1可以看出，整體上股外側(cè)肌EMG_FT達(dá)到疲勞的運(yùn)動(dòng)時(shí)間要小于通氣閾值的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。EMG_FT預(yù)測(cè)的肌肉疲勞時(shí)間與通氣閾值預(yù)測(cè)的疲勞時(shí)間平均誤差為0.166min。這表明受試者股外側(cè)肌達(dá)到EMG_FT的運(yùn)動(dòng)時(shí)間與通氣閾值的運(yùn)動(dòng)時(shí)間基本一致。

表2為受試者股直肌在同等負(fù)載下，EMGFr和呼吸進(jìn)入通氣閾值疲勞的時(shí)間對(duì)比。與股外側(cè)肌類似，受試者股直肌達(dá)到EMG_FT疲勞的運(yùn)動(dòng)時(shí)間也小于通氣閾的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，兩者的平均誤差為0.23min，大于股外側(cè)肌的疲勞閾值估計(jì)。這說(shuō)明在等量負(fù)荷遞增運(yùn)動(dòng)中，股外側(cè)肌EMG_FT測(cè)定的無(wú)氧閾比股直肌的EMGFI測(cè)定的無(wú)氧閾更準(zhǔn)確。

為了分析EMG_FT對(duì)不同收縮方式的肌肉的有效性，針對(duì)等長(zhǎng)收縮的豎脊肌也進(jìn)行了分析。表3為受試者豎脊肌在相同負(fù)載下的EMG_FT和呼吸進(jìn)入通氣閾值疲勞的時(shí)間對(duì)比。在等量負(fù)荷遞增運(yùn)動(dòng)中，同一受試者，豎脊肌的sEMG特征與股外側(cè)肌和股直肌的特征基本一致。受試者豎脊肌達(dá)到EMG_FT的運(yùn)動(dòng)時(shí)間與通氣閾的運(yùn)動(dòng)時(shí)間平均誤差為0.53min。該誤差范圍大于股外側(cè)肌和股直肌的誤差范圍。這表明在等量負(fù)荷遞增運(yùn)動(dòng)中，豎脊肌的EMG_FT測(cè)定的無(wú)氧閾的準(zhǔn)確性較低。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)6名志愿者進(jìn)行增量騎行運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，同步的采集他們的肌電數(shù)據(jù)與氣體數(shù)據(jù)，計(jì)算不同肌肉的EMGFT，并與通氣閾值相比較。發(fā)現(xiàn)，在遞增負(fù)載騎行運(yùn)動(dòng)中，EMG_FT的出現(xiàn)均早于通氣閾，但兩者相差很小，驗(yàn)證了基于EMG_FT來(lái)分析肌肉疲勞的是有效的。為了進(jìn)一步分析EMG_FT，對(duì)于不同收縮方式的肌肉進(jìn)行了對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法對(duì)于等長(zhǎng)收縮和等張收縮肌肉具有效果。EMG_FT不受肌肉運(yùn)動(dòng)形式限制，應(yīng)用范圍較廣，對(duì)于股骨干骨折患者康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中的疲勞監(jiān)護(hù)具有重要的意義。

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