不同负荷运动中下肢肌表面肌电图的变化

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.07.021

摘要/Abstract

摘要：

背景：尝试应用曲线拟合分析方法对表面肌电图进行分析和研究国内外尚处于起步阶段，将其应用于功率自行车运动至疲劳的研究鲜见报道。
目的：探讨功率自行车不同负荷运动中下肢肌中值频率值的变化特征和规律，分析肌肉疲劳拟合曲线的特点及其影响肌肉疲劳的相关因素。
方法：受试者为苏州大学体育学院8名男性青年，利用MONARK功率自行车，对受试者在不同负荷以及不同踏蹬频率下进行测试至疲劳，同时对股直肌、股外侧肌、股内侧肌、胫骨前肌、腓肠肌内侧头和腓肠肌外侧头进行表面肌电信号的采集与记录。分析中值频率指标的变化，并用minitab.15统计软件，按照在F检验的统计学差异有非常显著性意义(P < 0.001)的前提下，选取判定系数R2最大，偏差的平方和最小的原则，对实验结果进行曲线优度拟合。
结果与结论：①功率自行车150 W运动时，肌纤维的募集形式由运动初始快肌纤维募集数量逐渐增多向慢肌纤维募集比例增高转变。②功率自行车300 W运动时，肌纤维的募集形式从运动初期的快肌纤维募集为主逐渐向慢肌纤维募集比例增高转变。③功率自行车150 W运动时，肌肉疲劳的拟合曲线均为三次项曲线，提示影响肌肉疲劳的主要因素有3个。300 W运动时，肌肉疲劳的拟合曲线均为二次项曲线，提示影响肌肉疲劳的主要因素有2个。

关键词: 组织构建, 组织构建基础实验, 运动, 下肢肌, 表面肌电图, 功率自行车, 不同负荷, 中值频率, 疲劳, 曲线拟合, 肌肉, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: To analyze surface electromyogram data using curve fitting analysis method is still in its infancy, which is rarely reported in the research of power bicycle induced fatigue.
OBJECTIVE: To explore the changes and rules of median frequency of the lower limbs induced by power bicycles under different load, and to analyze the changes of the relevant indicators of surface electromyogram and characteristics of muscle fatigue fitting curves.
METHODS: Eight young men from Physical Education School of Soochow University were enrolled as subjects. All subjects were subjected to different load and different pedaling frequency exercises using MONARK power bicycle until they felt fatigue. At the same time, surface electromyogram signals of the rectus femoris, vastus lateralis, vastus medialis, tibialis anterior muscle, gastrocnemius medial head and lateral gastrocnemius head were collected and recorded. The data were analyzed using minitab.15 statistical software. R2 was determined according to the F test (extremely significant statistical difference, P < 0.001), and then the experimental results were analyzed using the curve fitting method.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Under the 150 W power bicycle movement, the muscle fatigue increased with time and then trended to decrease. (2) Under the 300 W power bicycle movement, the muscle fatigue decreased with time, then showed an increasing trend and finally decreased with time. (3) Under the 150 W power bicycle movement, the fitting curve was a three-item curve, indicating there were three main factors affecting muscle fatigue. However, under the 300 W power bicycle movement, the fitting curve was a two-item curve, indicating there were two main influential factors for muscle fatigue.

Key words: tissue construction, basic experiments in tissue construction, movement, lower limbs, surface electromyogram, power bicycle, different loads, median frequency, fatigue, fitting curves, muscle, biomechanics

中图分类号:

R318

马胜. 不同负荷运动中下肢肌表面肌电图的变化[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(7): 1259-1264.

Ma Sheng. Surface electromyogram of the lower limb muscle during different load movements[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(7): 1259-1264.

图/表（结果） 7

2.1 在150 W运动方案中下肢肌中值频率值的变化 见表1和图1。

由表1、图1可见，在150 W运动方案中，下肢肌的中值频率值随运动时间的延长呈现出先上升后下降的趋势。其中，股直肌在第2个时间点开始差异有显著性意义(P < 0.05)，股外侧肌和腓肠肌内侧头在第4个时间点开始差异有非常显著性意义(P < 0.01)，股内侧肌和腓肠肌外侧头在第2个时间点开始差异有非常显著性意义(P < 0.01)，胫骨前肌在第3个时间点开始差异有非常显著性意义(P < 0.01)。

2.2 在300 W运动方案中下肢肌中值频率值的变化 见表2和图2。

由表2、图2可见，在负荷300 W，踏速60 r/min的运动方案中，下肢肌的中值频率值随运动时间的延长而下降。其中，股直肌、股内侧肌、胫骨前肌和腓肠肌外侧头在第2个时间点开始差异有显著性意义(P < 0.05)，股外侧肌和腓肠肌内侧头在第2个时间点开始差异有非常显著性意义(P < 0.01)。

2.3 在150 W运动方案时中值频率与时间点的曲线拟合结果 由图3、表3可知，按照在F检验的统计学差异有非常显著性意义(P < 0.001)的前提下，选取判定系数R2最大，偏差的平方和最小的原则，进行最优拟合曲线的筛选，结果均以三次项曲线为最优拟合曲线。曲线拟合方程通式为：Y = b₀+ b₁X+b₂X₂ + b₃X³(X代表时间点，b₀为常数，b₁、b₂、b₃为系数，Y代表中值频率值)。

2.4 在300 W运动方案中中值频率与时间点的最优拟合曲线 由图4、表4可知，按照在F 检验的统计学差异有非常显著性意义(P < 0.001)的前提下，选取判定系数R2最大，偏差的平方和最小的原则，进行最优拟合曲线的筛选，结果均以二次项曲线为最优拟合曲线。曲线拟合方程通式为：Y = b₀+b₁X+b₂X²(X代表时间点，b₀为常数，b₁、b₂为系数，Y代表中值频率值)。

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引言

材料方法

对象和方法
设计：观察测试试验。
时间及地点：于2010年7月至2010年12月在苏州大学体育学院精密实验室完成。
对象：随机选择苏州大学体育学院8名男性青年为研究对象，年龄(23.00±2.06)岁，身高(1.76±0.43) m，体质量(72.86±5.91) kg。纳入标准：①受试者均自愿参加实验，对研究的目的和基本要求均能充分理解。②实验前24 h未进行任何形式的剧烈运动。③下肢关节肌肉无损伤及异常症状。④每名受试者每次完成一个实验，为排除残余疲劳的影响，与下次实验间隔为1周。
方法：
时间点的确定：由于每名受试者的运动时间不同，分析时，采用时间标准化，时间看作单位1，把每名受试者的运动时间分成相同的等份(150 W运动以及递增负荷运动分为11个时间点，300 W运动分为9个时间点)，并截取每等份(时间点)前4个踏蹬周期的原始表面肌电信号进行分析处理，得出相关指标。本文运动时间统一用时间点(T：1，2，3，4……)来表示。
运动方案：所有受试者在MONARK功率自行车上按以下方案进行踏蹬运动试验：①负荷150 W，踏速60 r/min。②负荷300 W，踏速60 r/min。以上运动方案均以受试者疲劳至无法维持规定转速为止。
实验仪器：使用德国BIOVISION公司出品的16通道多导运动生物电记录分析系统记录采集表面肌电信号，设定采样频率为1 024 Hz。
测试肌肉：股直肌、股外侧肌、股内侧肌、胫骨前肌、腓肠肌内侧头和腓肠肌外侧头。
主要观察指标：中值频率。
统计学分析：利用SPSS 17.0统计软件对实验的相关数据进行单因素方差分析，实验数据均以x(_)±s来表示；P < 0.05表示差异有显著性意义，P < 0.01表示差异有非常显著性意义。
用minitab.15统计软件，按以下原则对实验结果进行曲线优度拟合。①F 检验的统计学差异有非常显著性意义(P < 0.001)。②判定系数R²最大(R²为判定系数，0≤R2≤1，其越接近1，说明曲线拟合的越好，曲线越能反应数据点的变化趋势，反之亦然)。③偏差的平方和最小的原则。即 =min。

讨论

3.1 中值频率值变化与运动负荷的关系 表面肌电图的中值频率值是指骨骼肌收缩过程中肌纤维放电频率的中间值。正常情况下，人体不同部位骨骼肌之间的中值频率值高低差异较大，其原因主要是受肌肉组织中的快肌纤维和慢肌纤维的组成比例的影响，即快肌纤维兴奋主要表现为高频放电，而慢肌纤维则以低频电位活动为主^[1]。关于中值频率变化的结果报道不一，如 Arendt-Nielsen等^[2]对10%-40%最大随意收缩不同膝关节运动强度进行的研究结果认为，当负荷强度大于30%最大随意收缩时中值频率值表现为逐渐下降，运动强度低于20%最大随意收缩时中值频率值表现为无明显变化；Krogh-Lund等^[3]研究却发现，15%最大随意收缩屈肘关节运动时肱二头肌中值频率值表现为增加。

试验结果显示，在功率自行车150 W运动中，下肢肌中值频率值随着持续时间的延长而呈现出先上升后下降的趋势，在功率自行车300 W运动中，下肢肌中值频率值随着运动时间的延长而下降。可见，关于低强度运动时中值频率的变化现象及其机制，应该从骨骼肌运动方式或持续时间等方面加以综合分析。由于骨骼肌慢肌纤维纤维阈值强度低于快肌纤维，150 W负荷运动时慢肌纤维则先被募集，所以运动开始时肌肉综合放电频率相对较低；随着运动时间的持续或强度增加，肌纤维募集形式也会逐渐过渡到以快肌纤维为主，而其放电频率也会随之升高。继之，随运动时间的延长，肌纤维放电频率又会出现下降的趋势，关于肌电频率下降的机制，一些学者认为是因为骨骼肌在运动中，其快慢肌纤维的募集形式发生了改变，即中值频率值发生改变，快肌纤维组成的快运动单位很快疲劳，而此时机体必须募集更多的尚未疲劳的由慢肌纤维组成的慢运动单位来参与肌肉的收缩，结果慢肌纤维被募集的比例越来越大，而慢肌纤维以低频放电为主，从而最终导致了肌电频率下降^[4]。

3.2 功率自行车不同负荷运动中中值频率的曲线优度拟合变化分析 表面肌电信号在形态上具有很强的随机性，在信号分析过程中通常将其视为平稳或准平稳随机信号[5]。电生理研究表明，每一运动神经元都具有本身的发放阈值和募集等级，在肌肉关节和脊髓细胞之间存在本体感觉纤维即存在反馈通道，因此运动神经系统本质上是一个高度非线性的动力学系统^[6]。Meng等^[7]运用最大李雅普诺夫指数等特征量来判断表面肌电信号是非线性性信号还是随机信号, 其结果表明：表面肌电信号是非线性信号。因此以非线性动力学的方法探讨肌肉疲劳过程中的信号变化特征符合肌电信号的基本特点。

随着人们对神经肌肉系统非线性性质的深入研究和生物信号分析理论的进步，将非线性数学分析手段应用于表面肌电信号分析，提取出与肌肉功能状态间具有更好关联性的信号特征，已成表面肌电信号研究领域的发展趋势。如自Webber尝试用非线性方法分析肌电信号以来^[8]，国外学者经研究探讨，认为表面肌电信号可能是一种混沌信号，存在吸引子^[9-10]，但吸引子的个数尚未有公认的定论。Sbriccoli等计算表面肌电信号的李雅诺夫指数，发现与向心收缩相比，离心收缩运动负荷条件下肱二头肌的李雅诺夫指数明显降低。王健^等[11]在运动性肌肉疲劳的表面肌电非线性信号特征研究中，发现平均功率频率和肌电复杂度呈单调递减型变化。然而，非线性数学分析理论应用于表面肌电信号研究领域尚属初期阶段，运动负荷，特别是不同强度的运动负荷诱发肌肉疲劳过程中表面肌电信号非线性分析指标的变化规律及其与肌肉疲劳的关系等尚不完全清楚。王燕^[12]在场地自行车运动员踏蹬动作肌电研究中，发现专业运动员在 200 W负荷强度下峰值受力从 500 N下降到 325 N，在150 W负荷强度下峰值受力从400 N下降至 300 N以下。非自行车运动员表现出同样变化趋势，但峰值力矩相对偏低。

研究基于以上非线性动力学原理，通过对中值频率值进行曲线优度拟合，获得曲线拟合方程通式，探寻疲劳拟合曲线的性质，进而分析影响疲劳的主要因素。结果显示，功率自行车150 W运动中下肢肌疲劳时的表面肌电信号中值频率指标与时间点的最优拟合曲线即肌肉疲劳的拟合曲线，其性质均为三次项曲线。曲线拟合方程通式为：Y = b₀+ b₁X+b₂X²+b₃X³(X代表时间，b₀为常数，b₁、b₂、b₃为系数，Y代表中值频率值)。表明肌肉疲劳时的表面肌电信号频域指标不仅确实呈非线性改变，而且是按照三次项曲线的规律变化。提示影响功率自行车150 W运动中下肢肌疲劳的主要因素可能有3个，即肌肉疲劳主要与3个因素有关。杨志家等^[13]采用相空间分析技术对前臂肱桡肌等长收缩时的肌电信号分析表明，肌电信号确实存在吸引子，其关联维趋于一稳定值2.44，这与本文得出的曲线拟合结果极为近似。从运动单位的时间募集和空间募集初步考虑以下3个因素，可能是功能性运动单位的数目、运动单位的同步化程度和肌纤维的传导速度，因为已确定这3者决定运动单位的空间募集和时间募集^[14]。也就是说，在肌肉运动过程中，一旦功能性运动单位的数目减少、运动单位的同步化程度减弱，同时肌纤维的传导速度减慢，这些都导致肌肉输出的功和功率减少，这就是肌肉疲劳。功率自行车300 W不同踏蹬频率运动中下肢肌疲劳时的表面肌电信号中值频率指标与时间点的最优拟合曲线即肌肉疲劳的拟合曲线，其性质均为二次项曲线。曲线拟合方程通式为：Y=b₀+b₁X+ b₂X²(X代表时间，b₀为常数，b₁、b₂为系数，Y代表中值频率值)。表明肌肉疲劳时的表面肌电信号频域指标不仅确实也呈非线性改变，而且是按照二次项曲线的规律变化。提示影响功率自行车300 W运动中下肢肌疲劳的主要因素可能有两个，即肌肉疲劳主要与两个因素有关。由于直接测量运动单位的同步化程度、功能性运动单位的数目和肌纤维的传导速度目前比较困难，因此本研究提出的观点有待于更多的实验验证。

作者贡献：实验设计、实施、评估以及资料收集均为马胜。
利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济组织直接或间接的经济或利益的赞助。
伦理要求：参与研究的受试者均自愿参加本试验，并签署“知情同意书”。
作者声明：文章为原创作品，数据准确，内容不涉及泄密，无一稿两投，无抄袭，无内容剽窃，无作者署名争议，无与他人课题以及专利技术的争执，内容真实，文责自负。

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