sEMG技术在评价运动性疲劳方面的方法及应用_王奎

第一作者简介:王奎(1976-),男,实习研究员,研究方向:运动生理生化。

2004年9月 安徽体育科技 Sep.2004第25卷　第3期(总第103期) Jo urnal of Anhui Sports Science Vo l.25No.3(To tal No.103)sEM G 技术在评价运动性疲劳方面的方法及应用The Method and Application of SurfaceElectromyography in Estimating Sports Fatigue王　奎1　刘建红1　宋　刚2Wa ng K ui Liu J ianho ng So ng Ga ng (1湖南省体育科学研究所,湖南长沙410005)(1Hunan Resear ch Institute of Spo rts Science ,Chang sha 410005)(2广西师范大学体育学院,广西桂林541004)摘　要　通过文献综述法简要总结了表面肌电技术的原理特点和影响因素,介绍了表面肌电图评价疲劳的机理和主要研究方法,并对这项技术在评价疲劳领域的前景进行展望。

结果说明,表面肌电技术因其评价手段的多样性、评价结果的准确性以及安全无创的操作性等诸多优势,势必将成为监控运动性疲劳的重要手段,在体育科研领域有着广泛的应用前景。

关键词　表面肌电技术　运动性疲劳　评价方法　应用Abstract This a rticle summarizes the elements and cha racteristic o f surface electro myo g raphy,intr oduces its mechanism and m etho d of ev aluating spor ts fatig ue,and prev iews its for eg round.As a r esult,w e draw the conclusio n that the technolog y wo uld be a n impor tant measure in estimating spo r ts fa tig ue on the basis of its v a riety and v eracity and safe ty .Key words sur face electro myo g raphy spor ts fatig ue estimation method application 表面肌电图(Surface Electr omy og raphy ,s EM G)技术是通过肌电图仪采集肌肉表面电信号并加以分析的方法,上世纪50年代开始应用于体育科研领域。

其在评价疲劳时有明显的效果,但因操作和分析等方面的难度一直应用较少。

90年代后随着信号分析技术和计算机的结合在此领域日益广泛,肌电图的操作也大大简化,这就有力地推动了其在体育领域的应用,目前表面肌电技术在运动生物力学分析、运动选材、运动训练监控与评价、运动创伤康复及运动心理学等领域都有广阔的应用前景。

1　表面肌电图评价疲劳的方法肌肉运动采集的表面肌电信号是时间序列信号,它是表面引导电极触及多个运动单位活动时所产生的电变化在时间和空间叠加,是由许多运动单位的电活动共同造成的,须经处理才能用来评价疲劳。

评价的指标主要有时间域分析(tim e domain )、频率域分析(frequency do main)、小波(wav elet)分析等领域。

另外,混沌(chao s )、熵(entro py )及分形(Frac ta l )理论分析在国外的研究已有初步进展,国内也已开始进入探索阶段。

1.1时间域时间域是指可以在时间维度上反映肌电曲线的变化特征的评价指标,主要指标有积分肌电,平均振幅(M A),均方根振幅(RM S )等。

积分肌电(integ ra te EM G,I EM G):I EM G 是指所得肌电信号经整流滤波求单位时间内曲线下面积的总和,它可反映肌电信号随时间进行的强弱变化,是评价疲劳的重要手段。

随运动的进行,先前参与的运动单位开始疲劳,需要募集更多的运动单位参与运动,肌肉放电现象增强,单位时间内的积分肌电值也随之增加。

随运动单位疲劳的产生,参加收缩的运动单位减少,频率下降,表现IEM G 值降低。

这种肌电变化规律是疲劳过程中不同阶段的表现,并不因肌肉的位置或用力方式变化而改变。

因此可以认定在IEM G 值下降到低于初始值时为出现疲劳,疲劳程度越重,IEM G 值越低。

积分肌电阈、神经肌肉疲劳阈(EM G F T )、积分肌电变化率(ra te o f change in IEM G v alue)等是积分肌电的更深层次运用。

·49·积分肌电阈:通过计算递增负荷中每级的i EM G变化,描绘出IEM G与负荷强度的一一对应曲线,当运动强度达到一定水平,该曲线会出现由平缓转向陡峭的“拐点”,此强度就被称为积分肌电阈,其意义是指开始出现肌纤维大量募集的阈强度。

国内有学者通过这种方法评价赛艇运动员的积分肌电阈与无氧阈的关系,认为两者高度相关,实际训练中可以应用积分肌电阈评价有氧能力[1]。

神经肌肉疲劳阈:是由M atsumoto等和M o rita ni等于90年代初提出的[2],建立在如下理论的基础上:(1)、在持续一定时间的运动过程中,积分肌电图值(iEM G)随着时间的延续呈上升趋势;(2)、当运动负荷的强度不同时,iEM G的变化的斜率也不相同,负荷越大,其斜率也越大。

他们把EM G FT定义为iEM G 变化的斜率刚刚要开始增加时的强度,并认为应用EM G FT可以对机体运动的疲劳阈值作出准确的检测。

虽有其他学者在此方面的研究与其存在较大的差异[3],但提示EM G FT作为评价运动能力的一项指标在评价训练效果时仍有较大的意义。

积分肌电变化率(rate o f chang e in IEM G v alue)是指在持续最大等长收缩中单位时间积分肌电的变化与总时间的比值, Horiochi等人曾利用积分肌电变化率评价小腿三头肌在不同膝关节角度下的疲劳时间,发现该指标在评价疲劳时有相当的灵敏性[4]。

但是这种方法目前只应用于静力性的训练中,在试验的条件下与疲劳有很好的线性对应,但实际运动训练中极少有项目肌肉是纯粹的等长收缩,如何将积分肌电变化率有效应用在动力性练习中仍有待研究。

平均振幅(M A):振幅反映肌肉电信号的强度与参与的运动单位数目及放电频率同步化程度有关,Michael V iog t等人认为耐力项目的运动员其牵张反射EM G的平均振幅大于力量项目的运动员,可用于对耐力素质的评价[5]。

均方根振幅(RM S)用来描述一段时间内肌电的平均变化特征,指此段时间内所有振幅的均方根值。

但不能反映肌电信号的细节变化。

疲劳时肌电信号的振幅增高,势必引起RM S的增加。

可以通过比较不同时期的RM S,确定疲劳发生的时间和疲劳的程度。

1.2频率域频率域分析是指在频率方面评价肌电信号的指标分析,频域信号是将时域信号通过快速傅里叶转换(fast Fourier tra ns-la tio n,F F T)得出的,在表面肌电信号的检测与分析中具有重要的应用价值。

与时域指标对比,频域指标有以下优势:(1)、在肌肉疲劳过程中均呈明显的直线递减型变化,而时域指标的变化则有较大的变异;(2)、频域指标时间序列曲线的斜率不受皮下脂肪厚度和肢体围度的影响,而时域指标则易受影响;(3)、频域指标时间序列曲线的斜率与负荷持续时间明显相关,而时域指标的相关不明显。

但快速傅立叶变换法也有一定的缺陷,它需要有肌电信号在全时域的信息综合分析,信号在某一时刻的变化将影响整个频谱特性,此外,傅立叶变换要求信号是平稳的,表面肌电信号尤其是动力性收缩时是典型非平稳性和非线性的随机信号,因此采用傅立叶变换实时分析肌电信号受到了限制。

频域分析主要指标有平均功率频率(mean po wer fr equen-cy,M PF)、中数频率(median frequency,M F&Fm)。

疲劳时,功率谱大多由高频向低频漂移,M F[6]和M P F[7]值也相应下降。

一般认为M PF在反映较低负荷收缩时的灵敏度较高,M F在抗噪声干扰方面更具优势[8]。

关于s EM G频谱左移的原因目前认为有中枢和外周两方面的机制,中枢机制主要是指大脑皮层及运动神经元疲劳时放电频率的减弱和运动单位兴奋的同步化的降低;外周机制包括:(1)、肌内压升高,使血流受阻,引起肌细胞膜通透性发生变化,导致动作电位传导速度下降;(2)、因快肌运动单位很快疲劳,募集更多的未疲劳的慢肌运动单位参加工作;(3)、局部酸性代谢产物堆积,肌肉运动时产生的细胞外K+或乳酸浓度的增加将直接导致肌膜传导速度的降低[9]。

类似理论的证实国内也有报道[10]。

但近年来在代谢方面研究结果有争议,有人研究运动时肌肉中并不产生乳酸的磷酸化酶缺乏的患者,发现其肌肉经过运动后仍发生sEM G 频谱左移现象,并认为sEM G频谱左移与pH的下降并无因果关系,所存在的相关性,可能只是同属代谢机能下降的表现而已。

而V esterg uard Po ulsen等利用核磁共振技术研究了正常人和M c Ardle氏病患者静力运动至力竭(负荷为5%、10%、30% M V C)胫骨前肌肌电活动与代谢的关系,发现肌电的改变与肌肉pH值、乳酸积累无相关性。

M PFslo pe和M Fslope表示时间与M PF和M F曲线的斜率,代表运动过程中M P F或M F的相对变化。

在肌肉运动过程中,肌肉疲劳,频谱左移,表现为M PF或M F下降,所以斜率通常为负值。

在持续收缩过程中,EM G频谱的负向斜率不易受干扰的影响,对与肌肉疲劳相关的生理变化(特别是动作电位传导速度的降低)较为敏感,是测量局部肌肉疲劳的客观指标。

由于缺乏统一的评价标准许多主观因素的影响,评价缺乏客观性。

后又有人提出只用运动90s内的斜率值评价疲劳,仍然未被确认。

有研究发现,这两种斜率之间M P F随负荷时间延长的下降幅度明显大于M F[11],说明M P F对于反映肌肉疲劳较M F 更具敏感性。

1.3幅频联合分析(joint a na ly sis o f EM G spec trum and ampli-tude,JAS A)JA SA分析是Alv in.Luttmann等最先提出的,是一种同时考虑EM G振幅和频谱变化的一种新的疲劳测定方法。

由于肌力和疲劳状态在EM G信号振幅和频谱两方面有不同性质的反映,振幅和频谱的变化要同时考虑才能更好地反映肌肉疲劳真实情况。