對踝關節主要屈伸肌群sEMG測量標準化驗證研究

郭東雪 ，黃 振 ，陳 偉 ，李小生 ，王 琨 *

0 前言

表面肌電圖（sEMG）的測量與分析是肌肉生物力學研究中重要的手段與方法之一，已得到深入研究且應用廣泛。sEMG的測量主要是為了獲取肌肉活動的放電情況及收縮特征，主要包括肌肉（群）發力時序、肌肉疲勞與肌肉的收縮強度（力量）等。由于在人體測量中受一些因素（如皮下脂肪厚度、肌纖維類型、肌肉靜息長度、肌容積/橫截面積、收縮的速率、姿勢的微小變化、年齡及性別等）和操作過程中的不可控因素（如皮膚阻抗、電極間的距離）的影響[1-4]，因此對不同受試者同一肌肉或同一受試者不同肌肉的sEMG測量指標直接進行比較分析是不準確的，對肌肉sEMG進行標準化測量則顯得尤為重要。

本研究主要對人體運動（體育運動）中受試者各肌肉之間和不同受試者同一肌肉之間的肌肉收縮特征比較分析，并通過比較所獲得的跳深動作sEMG各參數指標的標準化值與人體靜力性和動力性動作中的肌肉各種收縮方式（速度）下的sEMG信號標準化值和標準化測量方法進行研究，找出sEMG指標的標準化與非標準化之間的差異，為肌肉間和個體間sEMG的比較提供科學的理論依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以體育專業12名健康男性大學生為實驗對象，運動年限均在3年以上，以sEMG各參數、等速肌力值以及跳深動作踝關節屈伸肌的sEMG為研究對象來獲取sEMG測量的標準化值并研究標準化前后的差異。實驗對象基本情況：年齡為（20.17±0.94）歲，身高為（171.83±3.54） m，體重為（66.33±4.33） kg，BMI為（22.44±0.3） kg/m-2。

1.2 實驗方法

1.2.1 sEMG測試

運用無線遙測肌電測試儀 （MegaWin6000，芬蘭），采樣頻率為 1 000 Hz[5]，測試肌肉為踝關節伸肌（右側腓腸肌后段）和屈肌（右側脛骨前肌），并與等速肌力及高速攝影同步。

1.2.2 踝關節屈伸肌群等速肌力測試

受試者嚴格按照等速力量測試的規范要求，在等速力量測試系統（ISOMED2000，德國）上完成右側踝關節伸屈肌群最大隨意等長收縮 （MVIC）、60°/s、180°/s的等速向心收縮測試[6-8]。每一測試速度下重復完成5次屈伸，取峰力矩最大值。

1.2.3 跳深測試

受試者按跳深測試要求完成動作。用一臺攝像機（CASIO-FH25，日本）定點拍攝受試者的整個運動過程。機距10 m，機高1.2 m，拍攝頻率為120 Hz[5]。

1.3 數理統計法

1.3.1 數據的讀取

通過圖像解析軟件APAS獲取受試者跳深的騰空時間，運用運動學公式計算出人體重心的騰起高度及騰起速度。

通過等速測試結果選取所需的不同動作的力矩值，并確認相應的肌電圖時段。通過視頻與肌電圖的同步進一步精確所需肌電圖時段。將峰力矩最大值及 sEMG 各指標（MA、RMS、iEMG）在 Excel中進行平均值、標準差及標準化值的計算，并繪制相關的數據表格。

1.3.2 統計方法

運用SPSS17.0統計軟件對所獲表面肌電參數、動力學參數及運動學參數進行常規的統計學處理并進行數據的相關性分析與獨立樣本T檢驗 （受試者姓名用①～來表示）。

2 研究結果

2.1 等速肌力與sEMG的關系

平均振幅（MA）反映肌電信號的強度，與肌肉參與的運動單位數目的多少及放電頻率的同步化變化程度有關[1,3]，而力矩值則代表了肌力的大小。本研究選取的是相同時段內的MA與力矩值的變化趨勢來研究肌力與sEMG的關系。

一般認為肌肉用力越大，肌電信號就越強。根據Kellis、蔣海鷹等人對人體下肢各肌肉肌力及肌電的研究可知等長肌力與肌電之間有一定的線性關系[10-12]，也就是兩者之間存在一定的相關性。研究發現，MVIC下伸肌和屈肌肌力矩與MA的相關系數r分別為0.81、0.85，與前人研究結果相符。60°/s等速向心收縮中，伸肌和屈肌肌力矩與MA的相關系數 r分別為 0.61、0.84；180°/s等速向心收縮中，伸肌和屈肌肌力矩與MA的相關系數r分別為0.64、0.88，均顯著相關。表明同一動作過程中，伸肌和屈肌肌力矩與MA的趨勢變化在0.01水平上呈高度的正相關。

根據力-速度曲線可知，肌肉收縮的力與其收縮速度成反比，即在一定范圍內，速度越快，肌肉收縮力量越小，當肌肉收縮張力達到最大值時，肌肉的收縮速度為零即等長收縮[13]。

由表1可知，踝關節MVIC中的肌力矩值最大，屈伸肌在收縮速度增加的情況下，力矩值越來越小，符合力-速度曲線的規律。踝關節在等速60°/s和180°/s向心收縮的力矩值與MVIC峰力矩相比都呈現出非常顯著性差異P＜0.01。此外不同收縮方式、不同收縮速度下伸肌的力矩值遠遠大于屈肌，踝關節在MVIC和兩種速度下的向心收縮中屈、伸肌力矩值有非常顯著的差異性P＜0.01。

表1 不同收縮方式、不同收縮速度下踝關節的肌峰力矩值（N·m）（X±S）Table I Muscle Peak Torque Values(Nom)of the Ankle Joint under Different Contraction Modes and Different Contraction Speeds(X±S)

由表2可知，伸肌與屈肌MVIC和等速60°/s、180°/s向心收縮的RMS值與 iEMG的值均隨收縮速度的增大而減小。等速60°/s向心收縮的RMS、iEMG值與MVIC相比P＜0.05，差異性顯著；等速180°/s向心收縮的 RMS、iEMG值與 MVIC相比P＜0.01，差異性非常顯著。在相同收縮方式下，踝關節伸肌的RMS、iEMG值均小于屈肌，且P＜0.01差異性非常顯著。這與前面的研究結果不符，因此有必要進行sEMG測量的標準化。

表2 不同收縮形式、不同收縮速度下的RMS、iEMG（uV）Table II RMS and iEMG(uV)under Different Contraction Modes and Different Contraction Speeds

2.2 標準化測量的檢驗

由于肌肉的收縮包含靜力性與動力性兩種收縮方式，是以靜力性的MVIC還是動力性的等速向心收縮作為標準化值需進一步的進行探索。跳深動作中下肢肌肉在較短時間內可完成離心、等長和向心收縮之間的轉換[14-17]，且跳深動作的騰起速度也是反映肌肉爆發力的重要指標，因此跳深是作為本研究基于實際動作檢驗標準化有效性的最佳選擇。

2.2.1 跳深動作中不同人同一肌肉標準化前后RMS、iEMG的對比

由表3可知伸肌RMS值在標準化前后有了明顯的變化。標準化前，受試者⑦的RMS值最大，受試者③最小，以MVIC作為標準處理后，受試者⑤RMS的值變為最小，受試者①變為最大，且其他受試者的RMS值順序發生了相應的變化。分別以等速60°/s和180°/s向心收縮值作為標準處理后，各受試者標準化前后的大小都有一定的變化。此外，等速60°/s向心收縮作為標準與MVIC比較無顯著差異，P＞0.05，而等速180°/s向心收縮與MVIC相比有顯著的差異，P＜0.05。

表3 踝關節屈伸肌標準化前后RMS的值Table III RMS Values before and after Standardization of Ankle Joint Flexor and Extensor

屈肌RMS值在標準化前后也出現了不同。標準化前受試者①③⑦⑨的RMS值較大，受試者④⑤⑩的值較小 ，標準化之后值大小發生了變化，以MVIC作為標準與標準化前對比，所有受試者RMS值大小前后變化不大，以60°/s作為標準，受試者⑤的值明顯變大，受試者③卻變小了，以180°/s作為標準可以看出受試者⑧的值明顯變大。此外，等速60°/s向心收縮作為標準與MVIC比較無顯著差異，P＞0.05,而等速180°/s向心收縮與MVIC相比有顯著的差異，P＜0.05。

由表4可知伸肌iEMG值標準化前后也發生了變化。標準化前所有受試者伸肌iEMG值最大值為受試者⑧，受試者⑦次之，最小為受試者，以MVIC作為標準處理后，受試者①最大，受試者⑧靠后，最小依舊為受試者；以60°/s作為標準，受試者⑧⑦和⑩的順序不變，而其他受試者標準化前后iEMG值的大小有明顯的變化；以180°/s作為標準處理后，所有受試者RMS標準化值出現了不同程度的變動。此外，以等速60°/s向心收縮作為標準與MVIC比較無顯著差異，P＞0.05，而以等速180°/s向心收縮作為標準處理后的值與MVIC相比有顯著的差異，P＜0.01。

表4 踝關節屈伸肌標準化前后iEMG的值Table IV iEMG Values before and after Standardization of Ankle Joint Flexor and Extensor

以MVIC作為標準，所有受試者屈肌iEMG值標準化前后大小浮動不大，可能是由于附著在踝關節屈肌（脛骨前肌）的皮脂較薄，對肌電信號的采集影響不大，然而以等速60°/s向心收縮作為標準與 MVIC比較有顯著差異，P＜0.05，而等速180°/s向心收縮與MVIC相比有非常顯著的差異，P＜0.01。

且由表3可知，跳深動作中，伸肌RMS均值為339.33，屈肌 RMS均值為227.92，伸肌RMS值大于屈肌，由表4可知，跳深動作中，伸肌iEMG均值為269，屈肌iEMG均值為172.33。伸肌iEMG值大于屈肌，同時可以看出無論以MVIC還是以兩種向心收縮速度為標準，標準化之后的RMS值和iEMG值均為伸肌大于屈肌，符合動作中肌肉用力規律，而以哪種收縮方式或收縮速度進行標準化最為合適，還需進一步驗證。

2.2.2 標準化前后RMS、iEMG值與跳深騰起速度的相關性

運動員的騰起初速度V0決定了重心的上升高度（H），速度越快騰起高度越高，因此可以用騰起速度的大小來反映標準化的有效性[18]。

由表5可知，伸肌RMS標準化前的相關系數為r=0.48，P＞0.05，與騰起速度不相關。標準化之后，以MVIC和等速60°/s向心收縮為標準進行標準化后的值與騰起速度均相關，均呈顯著相關。以MVIC為標準的標準化值相關性高于以等速60°/s向心收縮為標準的標準化值。而以180°/s向心收縮為標準的標準化值與騰起速度不相關。伸肌iEMG標準化前的值與騰起速度也不相關。3種標準化方式下的iEMG值均與騰起速度有關，其中以MVIC為標準的相關性最大。

表5 伸肌RMS、iEMG值標準化前后與騰起速度的相關結果Table V Relations between Jumping Speed and the Values of RMS and iEMG of Extensors before and after Standardization

由表6可知，屈肌RMS標準化前的相關系數為r=0.63，P＜0.05與騰起速度相關。標準化之后，3種標準化方式下的RMS值均與騰起速度有關，且P值均小于0.05，相關性顯著。其中以MVIC作為標準的相關性最大，以等速60°/s向心收縮作為標準相關性次之，以180°/s向心收縮作為標準的相關性最小。屈肌iEMG標準化前的值與騰起速度不相關，標準化之后，以MVIC為標準相關性最大，相關系數為0.71，以等速60°/s向心收縮作為標準的相關系數為0.64，均呈顯著相關。而以180°/s向心收縮為標準的標準化值與騰起速度的相關性雖為0.44，但P＞0.05，說明其與騰起速度的相關性不大。綜合表5、表6可知以MVIC作為標準，RMS、iEMG與跳深騰起速度的相關性最大。

表6 屈肌RMS、iEMG值標準化前后與騰起速度的相關結果Table VI Relations between Jumping Dpeed and the Values of RMS and iEMG of Flexors before and after Standardization

3 分析與討論

綜合表1、表 2可以看出，sEMG的 RMS、iEMG的值與相對應的肌力矩值在同一肌肉不同收縮速度下所呈現出的規律較為一致，而在不同肌肉同種收縮形式下所呈現的規律有所不同，從力矩與MA的高度相關性來看，伸肌力矩值到屈肌力矩值有減小的趨勢，相應的sEMG值也隨之減小，而踝關節屈伸肌sEMG值對比中出現了屈肌值大于伸肌的相反結果。可想而知，用得到的表面肌電圖參數值是不能直接用于肌肉間的比較的。因此若要實現對同一受試者的不同肌肉或不同受試者的同一肌肉之間sEMG測試指標進行比較，就必須進行肌肉sEMG的標準化測試。

需要強調的是積分肌電的標準化處理。由于它是所得肌電信號經整流濾波求單位時間內曲線下面積的總和，即肌電圖曲線在時間軸下包圍的面積大小，且不同受試者完成測試動作的時間不可能完全相同，導致測試肌肉的iEMG結果不對等，所以不能直接進行比較，必須先進行時間標準化處理[22]，消除在時間上的不等因素，以保證結果的一致性和可比性。在此基礎上再進行以MVIC為標準的標準化處理進行肌肉間的比較。然而在查閱大量文獻中發現，大多數都是直接應用積分肌電的值，并未作標準化處理。如郭建龍的研究發現受試者跳深著地階段緩沖期的積分肌電值大于蹬伸期值，正常狀態下跳深時，下肢所測大多數肌肉的表面積分肌電值均比相對疲勞狀態下的值大[23]。但從數據值來看未進行標準化處理，推測標準化處理后結果可能有變化。

跳深動作中，從不同人同一肌肉標準化前后RMS、iEMG的對比中分析發現，皮下脂肪的厚度對sEMG信號采集的影響較大。從運動解剖學角度來分析，屈肌位于小腿屈嵴外側[19]，皮下脂肪較薄，對于表面肌電信號的采集干擾較小，因此所采集到的屈肌sEMG參數值較為準確，標準化前后的變化不大。而伸肌位于小腿后方皮下，脂肪厚度較屈肌而言大得多，干擾性強，標準化前后變化差異會較為明顯。

在跳深動作中，緩沖階段的伸肌做離心收縮，肌肉中的彈性成分被拉長從而產生阻力，與此同時肌肉中的彈性成分也產生了最大阻力，加之牽張反射使得伸肌產生較大的張力。此外，蹬伸階段伸肌作為原動肌做向心收縮使踝關節背伸，兩個階段充分發揮作用的伸肌活性被充分激活，放電量也隨之變大[20,21]。而屈肌作為伸肌的拮抗劑，較伸肌的放電量會相應的小一些。從同一人不同肌肉標準化前后RMS、iEMG的對比中分析發現，3人伸肌的RMS值小于屈肌，而在iEMG值的對比中卻出現了4個人的屈肌大于了伸肌，因此需通過標準化處理后分析sEMG數據，以此判斷肌肉用力大小。

結合跳深動作當中踝關節屈伸肌的用力大小以及不同方式標準化后與跳深騰起速度的相關性分析可知，以MVIC作為標準化值最為合理。通常的做法是采集所選肌肉MVIC下的表面肌電，并取3次肌電幅值的平均值作為參考值。這里面的難點是肌肉做MVIC動作的選取。一般有兩種形式：一種是通過等速肌力測試的方法，測試單關節肌群MVIC時的表面肌電；另一種是通過1RM動作測試來獲取所選肌肉表面肌電圖。然而兩種方式均是多個肌群共同收縮的結果，并非所選肌肉真正MVIC下的肌電值，因此選取最佳MVIC測試動作是關鍵。本文MVIC采用的是等速肌力測試法，后續研究將選用1RM測試做進一步的驗證。

4 結論

跳深動作下肢肌肉標準化前后的sEMG值比較情況發生了明顯的變化，以最大隨意等長收縮為標準的sEMG標準化值與跳深騰起速度的相關性最高，因此要進行不同人同一肌肉或同一人不同肌肉之間sEMG的比較，以最大隨意等長收縮作為標準最為合理。