连续递增负荷条件下肌肉活动的力-ç”µå ³ç³»

连 续 递 增 负 荷 条 件 下 肌 肉 活 动 的 力 - 电 关 系The sEMG-Force relationship during ramp contractions of Bicepsbrachii in non-fatigue state宋 超1, 王 健23, 楼 兰 萍SONG chao 1 ,WANG jian 2 ,LOU Lan-ping 3摘 要 目 的 : 探 讨 非 疲 劳 状 态 下 肱 二 头 肌 在 静 态 连 续 递 增 负 荷 下 sEMG 信 号 的 线 性 和非 线 性 变 化 规 律 。 方 法 : 记 录 11 名 男 性 被 试 肱 二 头 肌 等 长 屈 肘 5 秒 钟 ramp 收 缩 下 的 sEMG信 号 , 分 析 线 性 时 频 指 标 AEMG、MPF、MF 和 非 线 性 指 标 C(N)、DET% 的 变 化 规 律 。 结 果 :AEMG 值 呈 线 性 递 增 趋 势 , 在 第 2 秒 到 第 4 秒 之 间 尤 为 明 显 ; 频 域 指 标 MPF 和 MF 均 无 显著 差 异 ;C(N) 在 用 力 程 度 发 生 变 化 时 仍 能 保 持 稳 定 ;DET% 随 着 用 力 程 度 的 连 续 递 增 而 改 变 ,表 现 出 先 明 显 下 降 而 后 稳 定 的 趋 势 。 结 论 :C(N) 在 区 别 肌 肉 功 能 状 态 和 活 动 水 平 这 两 个 因素 时 , 具 有 一 定 的 敏 感 性 ; 在 感 知 非 疲 劳 肌 肉 的 不 同 活 动 水 平 上 ,DET% 要 优 于 线 性 频 域 指标 。关 键 词 : 非 疲 劳 状 态 ; 肱 二 头 肌 ; 连 续 递 增 负 荷 ; sEMG 信 号Abstract: Objective: The present study was to aimed at evaluating the capability of C(N) andDET%(determinism%) together with the linear indices to detect sEMG signal changes duringramp contractions of biceps brachii. Methods: 5 seconds sEMG signals of 11 male volunteerswere recorded to analyze its changes of the linear indices AEMG,MPF,MF and the non-linearindices C(N),DET%. Results : AEMG inclined linearly while the spectrum parameters MPF andMF leveled off with the increasing of the force;C(N) leveled off and DET% displayed an decreasefollowed by a plat during the 5 voluntary contractions. Conclusion: Compared with the spectrumparameters, C(N) has higher sensitivity with the two factors of muscle function state and forcelevel ,and DET% has higher sensitivity with different force levels in terms of non-fatiguemuscles.Key words non-fatigue state,biceps brachii,ramp contraction,sEMG signal

基 金 项 目浙 江 省 科 技 厅 分 析 测 试 科 技 计 划 项 目 (2007F70022); 中 - 芬 政 府 间 科 学 技 术 合 作 项 目(AM10:21)。作 者 简 介宋 超 (1978-), 男 , 浙 江 杭 州 人 , 讲 师 , 毕 业 于 浙 江 大 学 生 命 科 学 学 院 , 研 究 方 向 为 生 理心 理 学 和 应 用 生 理 学 ,Tel:(0571)86843234,E-mail:flex1028@zstu.edu.cn, 身 份 证 号 :330102197810280013; 王 健 (1961-), 男 , 吉 林 蛟 河 人 , 教 授 , 博 士 , 博 士 生 导 师 , 研 究方 向 为 运 动 生 理 学 和 应 用 心 理 学 , 联 系 电 话 :(0571)88273195,E-mail:wangjian1961@yahoo.com.cn, 身 份 证 号 :330106610401005; 楼 兰 萍 (1962-), 女 , 浙 江杭 州 人 , 教 授 , 研 究 方 向 为 体 育 教 学 与 训 练 。作 者 单 位1. 浙 江 理 工 大 学 心 理 研 究 所 , 浙 江 杭 州 ,310018;2. 浙 江 大 学 , 浙 江 杭 州 ,310028;3. 浙江 理 工 大 学 体 育 教 研 部 , 浙 江 杭 州 ,3100181. Institute of psychology ,Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018,China;2. Zhejiang University,Hangzhou 310028,China;3. Department of physicaleducation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018,China

1. 前 言不 论 在 疲 劳 机 制 等 基 础 问 题 还 是 康 复 医 学 、 人 机 工 程 学 等 应 用 研 究 领 域 中 , 力 - 电 关 系始 终 是 sEMG 信 号 分 析 研 究 中 无 法 规 避 的 一 个 基 本 问 题 。 早 期 力 - 电 关 系 研 究 均 以 sEMG 信号 的 稳 态 和 周 期 性 为 基 础 , 基 于 快 速 傅 立 叶 变 换 (FFT) 的 计 算 方 法 是 其 主 要 分 析 方 法 。 以往 研 究 发 现 , 时 域 指 标 AEMG 多 随 肌 张 力 增 加 而 递 增 , 频 域 指 标 MPF 等 则 在 一 定 MVC%范 围 内 具 有 单 调 递 增 变 化 规 律 [1] 。 但 也 有 研 究 认 为 在 此 条 件 下 的 肌 肉 收 缩 并 无 明 显 的 力 - 电单 调 依 赖 关 系 [2] 。 显 然 力 - 电 关 系 在 传 统 线 性 领 域 内 已 具 有 一 定 的 规 律 , 但 此 规 律 的 确 切 性和 普 遍 性 以 及 对 此 规 律 解 释 的 合 理 性 尚 未 得 到 彻 底 阐 明 。间 断 递 增 负 荷 (step) 和 连 续 递 增 负 荷 (ramp) 是 静 态 肌 肉 力 - 电 关 系 研 究 中 的 两 种 基 本 实验 范 式 。 前 者 的 特 点 是 在 不 同 水 平 的 运 动 负 荷 之 间 插 入 足 够 的 间 隙 时 间 , 能 有 效 剔 除 疲 劳 因素 的 干 扰 , 且 该 范 式 下 肌 肉 始 终 处 于 等 长 的 恒 力 收 缩 之 中 , 可 控 性 良 好 并 能 反 映 日 常 运 动 的最 基 本 特 点 。 后 者 的 特 点 在 于 目 标 肌 肉 持 续 发 力 且 使 输 出 的 力 量 呈 线 性 递 增 , 是 一 种 包 含 更多 神 经 肌 肉 反 馈 调 节 的 主 动 控 制 模 式 。 由 于 该 范 式 更 符 合 日 常 任 务 的 操 作 特 点 且 用 力 瞬 变 ,因 此 在 反 映 神 经 肌 肉 系 统 的 调 控 模 式 上 更 具 优 点 。研 究 证 实 ,sEMG 信 号 并 非 严 格 意 义 上 的 稳 态 信 号 , 而 具 有 一 定 的 随 机 性 和 不 稳 定 性 [3] ,因 而 运 用 非 线 性 动 力 学 分 析 方 法 已 成 为 sEMG 信 号 分 析 研 究 的 新 近 趋 势 [4] 。Webber 等 采 用定 量 递 归 分 析 方 法 (Recurrence quantification analysis, RQA) 发 现 运 动 疲 劳 过 程 中 肱 二 头 肌sEMG 信 号 的 确 定 性 线 段 百 分 比 (Determinism%, DET%) 连 续 递 增 且 其 敏 感 性 优 于 频 域 指 标[5] ;Filligoig 等 在 肱 二 头 肌 恒 力 及 变 力 条 件 下 发 现 %DET 斜 率 变 化 更 具 强 度 依 赖 性 , 且 在 变力 运 动 中 其 与 肌 力 的 一 致 性 明 显 高 于 MF [6] ;Francesco 等 在 药 物 注 射 引 发 的 疼 痛 收 缩 过 程 中 ,发 现 肱 二 头 肌 和 小 指 展 肌 的 DET% 均 明 显 升 高 [7] ; 我 们 在 step 范 式 下 考 查 力 - 电 关 系 的 研 究中 , 得 到 DET% 呈 单 调 递 增 性 改 变 、Lempel-Ziv 复 杂 度 (C(N)) 保 持 稳 定 的 非 线 性 实 验 结 果 [8] 。由 此 可 见 , 仅 用 线 性 时 频 分 析 手 段 尚 不 足 以 完 全 揭 示 sEMG 信 号 变 化 的 本 质 特 征 。 力 - 电 关系 非 线 性 特 征 的 明 晰 是 任 何 以 sEMG 信 号 非 线 性 方 法 作 为 分 析 手 段 的 应 用 性 研 究 的 前 提 ,然 而 迄 今 为 止 关 于 ramp 范 式 下 力 - 电 关 系 的 非 线 性 系 统 研 究 仍 为 罕 见 , 尤 其 是 相 对 于 step范 式 的 非 线 性 变 化 特 征 比 较 。 据 此 , 本 研 究 的 目 的 在 于 :1) 在 线 性 分 析 的 同 时 , 探 讨 ramp范 式 下 肱 二 头 肌 sEMG 信 号 的 非 线 性 变 化 规 律 , 为 sEMG 信 号 的 非 线 性 分 析 技 术 提 供 更 多的 实 验 依 据 ;2) 比 较 两 种 基 本 范 式 下 sEMG 信 号 的 非 线 性 变 化 差 异 , 为 力 - 电 关 系 的 全 面阐 明 以 及 其 背 后 的 生 理 机 制 研 究 提 供 线 索 。

2. 实 验 方 法2.1 实 验 对 象11 名 男 性 青 年 志 愿 者 参 加 本 次 实 验 ( 年 龄 22.45±0.31 岁 ; 身 高 174.17±1.30 cm; 体重 65.92±2.01kg; 上 臂 围 度 25.76±0.67 cm)。 实 验 期 间 受 试 者 身 体 健 康 状 况 良 好 , 无 肌肉 疲 劳 现 象 , 实 验 前 24 小 时 未 进 行 任 何 形 式 的 剧 烈 运 动 。 参 加 本 实 验 前 均 熟 悉 运 动 负 荷 方法 和 各 种 实 验 要 求 并 签 订 实 验 协 议 。2.2 测 试 方 案2.2.1 标 准 动 作 姿 势受 试 者 正 坐 于 约 90cm 高 的 实 验 台 前 , 保 持 躯 干 垂 直 , 髖 、 膝 、 踝 关 节 成 90 度 。 右 侧 上臂 水 平 、 前 臂 垂 直 , 掌 心 向 内 置 于 支 撑 台 面 , 手 腕 与 拉 力 传 感 器 通 过 细 钢 丝 相 连 接 , 左 侧 上肢 自 然 放 松 置 于 体 侧 , 双 脚 平 放 于 固 定 的 脚 踏 板 。2.2.2 MVC 测 试受 试 者 首 先 进 行 3 次 最 大 屈 肘 肌 力 (MVC) 测 试 , 各 次 测 试 的 时 间 间 隔 为 5 分 钟 , 取 最 大值 作 为 右 臂 肱 二 头 肌 的 最 大 屈 肘 肌 力 。 拉 力 传 感 器 的 拉 力 信 息 通 过 Medlab 生 物 电 信 号 采 集卡 采 集 放 大 , 以 数 字 化 形 式 “kg” 为 单 位 显 示 。2.2.3 ramp 训 练在 随 后 进 行 的 肱 二 头 肌 等 长 ramp 训 练 中 , 要 求 受 试 者 保 持 标 准 动 作 姿 势 , 耳 听 节 拍 器 ,眼 看 电 脑 屏 幕 的 拉 力 反 馈 曲 线 , 右 侧 手 腕 通 过 滑 轮 引 线 均 匀 用 力 。 做 完 上 述 准 备 后 , 要 求 受试 者 在 5 秒 钟 里 在 拉 力 反 馈 屏 幕 上 出 现 一 条 平 滑 上 升 的 直 线 线 段 ( 图 1), 且 要 求 线 段 的 结束 点 的 反 馈 值 尽 量 接 近 其 MVC 值 , 最 低 不 能 小 于 其 85%MVC。

图 1 拉 力 反 馈 曲 线Fig. 1The feedback curve during the voluntary isometric contraction2.2.4 ramp 测 试在 受 试 者 能 熟 练 完 成 上 述 动 作 之 后 的 第 2 天 , 要 求 保 持 标 准 动 作 姿 势 , 完 成 5 秒 钟 的 等长 ramp 收 缩 , 同 时 记 录 全 程 肌 电 信 号 。2.3 信 号 采 集 与 处 理采 用 双 电 极 法 进 行 记 录 。 探 测 电 极 相 距 3cm 置 于 肱 二 头 肌 肌 腹 部 位 , 与 肌 纤 维 呈 平 行放 置 , 参 照 电 极 置 于 内 侧 。 贴 电 极 前 用 细 纱 纸 轻 擦 皮 肤 表 面 去 除 角 质 , 用 医 用 酒 精 棉 球 清 除油 脂 。 所 用 电 极 均 由 Mega 公 司 提 供 。 采 样 频 率 为 1000Hz, 带 通 滤 波 20-500Hz, 噪 声 水 平小 于 1μV。 将 每 次 采 集 到 的 5 秒 钟 sEMG 信 号 平 均 分 为 5 段 , 每 段 代 表 一 个 相 应 的 负 荷 水平 , 用 MegaWin2.01 自 带 的 程 序 分 别 计 算 出 5 个 一 秒 钟 信 号 的 AEMG、MF、MPF 值 。 非线 性 分 析 方 面 , 则 分 别 计 算 C(N) 和 DET%, 具 体 算 法 如 前 报 道 [3] 。 其 中 ,RQA 分 析 则 用Webber 等 提 供 的 相 关 软 件 , 用 自 相 关 法 求 出 各 自 第 一 次 过 零 点 的 时 间 , 以 此 作 为 相 空 间 重构 的 延 迟 量 τ。 本 研 究 对 DET% 设 定 的 计 算 条 件 为 : 嵌 入 维 度 d=10,r=15,τ=6,k=2,计 算 长 度 为 1024 点 。2.4 统 计 学 处 理实 验 采 用 t 检 验 比 较 ramp 测 试 前 后 的 MVC 值 。 采 用 单 因 素 方 差 (One-Way ANOVA)分 析 各 项 指 标 在 不 同 负 荷 水 平 下 的 显 著 性 差 异 。 对 各 指 标 的 不 同 阶 段 进 行 两 两 比 较 则 采 用LSD 法 。 所 有 数 据 均 以 均 数 ± 标 准 误 (M±SE.) 表 示 。 统 计 分 析 均 由 spss10.0 完 成 。3. 结 果3.1 时 域 指 标 AEMG 的 变 化 规 律在 ramp 方 式 负 荷 下 ,AEMG 的 实 测 值 由 第 一 秒 钟 的 112.14μv±25.16 逐 渐 上 升 到 第 5秒 钟 的 1277.18μv±138.04( 表 1), 与 负 荷 水 平 呈 明 显 的 线 性 关 系 (p=0.000 * )。 进 一 步 用LSD 法 分 析 发 现 ,AEMG 与 用 力 程 度 的 线 性 关 系 在 第 2 秒 到 第 4 秒 之 间 尤 为 明 显 ( 图 2)。

3.2 频 域 指 标 MPF/MF 的 变 化 规 律方 差 分 析 发 现 , 频 域 指 标 无 论 是 MPF 还 是 MF, 其 数 值 在 5 秒 钟 的 ramp 收 缩 方 式 下 都均 无 显 著 差 异 。 但 就 数 值 的 大 小 而 言 ,MPF 均 要 高 于 MF( 图 3)。3.3 非 线 性 指 标 C(N) 和 DET% 的 变 化 规 律C(N) 值 在 5 秒 连 续 用 力 过 程 中 没 有 显 著 差 异 , 说 明 sEMG 信 号 的 复 杂 性 在 用 力 程 度 变 化时 仍 然 保 持 稳 定 ( 图 4)。DET% 从 第 1 秒 的 74.95±6.72 明 显 下 降 到 第 5 秒 的 46.78±7.61( 表1)。 方 差 分 析 发 现 ,DET% 的 大 小 明 显 受 用 力 因 素 的 影 响 。 进 一 步 用 LSD 法 比 较 DET% 在各 个 时 间 段 的 差 异 , 发 现 其 数 值 在 第 1 秒 和 第 3,4,5 秒 均 有 显 著 差 别 (p=0.008 * , 0.002 * ,0.013 * ), 而 其 他 各 秒 之 间 则 无 明 显 变 化 。 由 此 可 得 肱 二 头 肌 sEMG 信 号 的 数 学 有 序 性 随 主 观用 力 的 递 增 而 明 显 下 降 直 至 高 负 荷 水 平 ( 图 5)。3.4 非 线 性 指 标 C(N) 和 DET% 在 不 同 范 式 下 的 变 化 趋 势分 别 以 step 第 一 负 荷 阶 段 (10%MVC) 和 ramp 第 一 秒 的 数 据 值 作 为 参 照 , 比 较 两 种 范式 下 C(N) 和 DET% 的 变 化 趋 势 , 可 以 发 现 两 者 的 规 律 性 非 常 相 似 ( 图 5):C(N) 在 用 力 程度 发 生 改 变 时 均 能 保 持 稳 定 ;DET% 则 在 一 定 范 围 内 ( 约 0-40%MVC) 随 着 负 荷 的 增 加 呈 单调 递 减 变 化 , 超 出 此 负 荷 范 围 则 无 明 显 变 化 。表 1 不 同 时 间 段 各 指 标 的 实 测 值 以 及 方 差 显 著 性Table 1 Values of all the indices and the sig. of one-way ANOVAAEMG(μv) MPF(Hz) MF(Hz) C(N) DET%Sec.1 112.14±25.16 60.90±3.82 14.46±1.51 0.6454±1.88E-02 74.95±6.72Sec.2 419.38±114.24 67.11±3.68 15.49±1.51 0.6321±2.45E-02 56.62±5.29Sec.3 800.18±157.86 68.36±3.75 16.51±1.50 0.6543±2.41E-02 43.34±7.11Sec.4 1192.50±128.03 72.36±2.96 17.53±1.52 0.6330±2.55E-02 39.46±7.13Sec.5 1277.18±138.04 66.67±3.34 18.56±1.52 0.6072±2.96E-02 46.78±7.61sig. 0.000 * 0.259 0.347 0.724 0.015 *

20001500AEMG(μv)10005000-50012345负 荷 时 间 ( 秒 )图 1 肱 二 头 肌 在 ramp 收 缩 方 式 下 AEMG 实 测 值 的 变 化 趋 势Fig. 1 The trend of AEMG during ramp contraction of biceps10080MPF&MF(Hz)604020MPF012345MF负 荷 时 间 ( 秒 )图 2 肱 二 头 肌 在 ramp 收 缩 方 式 下 频 域 指 标 的 变 化 趋 势Fig. 2 The trend of the spectrum parameters during ramp contraction of biceps

1.0.9.8C(n).7.6.5.412345负 荷 时 间 ( 秒 )图 3 肱 二 头 肌 在 ramp 收 缩 方 式 下 C(N) 的 变 化 趋 势Fig. 3 The trend of C(N) during ramp contraction of biceps12010080det%604020012345负 荷 时 间 ( 秒 )图 4 肱 二 头 肌 在 ramp 收 缩 方 式 下 DET% 的 变 化 趋 势Fig. 4The trend of DET% during ramp contraction of biceps

1.41.2标准化值1.0.8ramp-C(N)step-C(N).6ramp-DET%.412345step-DET%负 荷 阶 段图 5 肱 二 头 肌 在 ramp 收 缩 方 式 下 C(N) 和 DET% 的 变 化 趋 势Fig. 5The trend of C(N) and DET% during ramp and step contraction of biceps4. 讨 论4.1 sEMG 信 号 的 线 性 特 征在 以 往 线 性 分 析 方 法 考 察 力 - 电 关 系 的 研 究 中 , 时 域 指 标 AEMG 作 为 描 述 sEMG 振 幅变 化 的 常 用 指 标 , 其 规 律 性 在 众 多 指 标 中 是 最 好 的 。 在 控 制 良 好 的 情 况 下 , 四 肢 肌 群 的 时 域指 标 多 呈 线 性 递 增 , 只 在 精 细 肌 群 ( 如 小 指 展 肌 等 ) 或 者 躯 干 的 姿 势 肌 群 中 则 出 现 时 域 指 标的 非 线 性 递 增 规 律 [7] 。 本 研 究 观 察 到 AEMG 随 用 力 程 度 的 增 加 呈 线 性 递 增 趋 势 , 这 与 先 前step 方 式 下 发 现 的 结 果 及 以 往 众 多 同 类 研 究 结 果 一 致 。AEMG 的 变 化 被 认 为 主 要 受 运 动 单位 募 集 数 量 以 及 类 型 的 影 响 , 目 前 对 此 的 普 遍 解 释 为 : 随 着 肌 肉 收 缩 力 的 增 加 , 肌 纤 维 募 集数 目 的 增 加 及 运 动 单 位 同 步 化 程 度 的 提 高 , 从 而 增 加 了 运 动 单 位 的 平 均 放 电 振 幅 , 导 致sEMG 信 号 振 幅 的 线 性 递 增 [1] 。以 FFT 为 前 提 的 传 统 分 析 方 法 中 ,MPF 和 MF 主 要 反 映 的 是 sEMG 信 号 功 率 谱 的 频 率构 成 特 征 。 相 对 于 时 域 指 标 , 频 域 指 标 的 变 化 趋 势 在 力 - 电 关 系 的 研 究 中 显 得 较 为 多 变 , 众多 研 究 发 现 其 在 一 定 范 围 内 随 负 荷 强 度 的 增 加 而 递 增 , 但 也 有 少 数 研 究 得 到 了 并 不 具 有 张 力依 赖 性 甚 至 是 随 力 递 减 的 结 果 [2,11] 。 目 前 对 于 频 域 指 标 在 一 定 范 围 内 的 肌 张 力 依 赖 性 的 解 释是 : 放 电 频 率 较 高 的 Ⅱ 型 肌 纤 维 参 与 活 动 的 比 例 增 加 以 及 组 织 的 低 通 滤 波 作 用 所 致 。 本 研 究

在 ramp 范 式 下 得 到 了 频 域 指 标 不 随 肌 张 力 增 加 而 变 化 的 结 果 , 与 少 数 文 献 的 结 果 相 同 。 虽然 同 为 静 态 等 长 收 缩 , 但 step 和 ramp 范 式 的 用 力 方 式 明 显 不 同 , 前 者 是 被 动 的 阶 段 性 恒 力[8]而 后 者 处 于 数 秒 主 动 控 制 的 连 续 用 力 过 程 。BILODEAU 认 为 正 是 两 种 方 式 下 不 同 的 运 动单 位 激 活 模 式 导 致 频 域 指 标 的 不 同 变 化 规 律 [2] 。 本 研 究 的 目 的 之 一 便 是 进 一 步 确 认 不 同 的 运动 策 略 是 否 能 在 不 同 的 分 析 指 标 之 中 得 到 体 现 , 显 然 就 我 们 对 两 种 范 式 下 频 域 指 标 的 考 察 而言 , 两 者 的 规 律 是 不 同 的 。EDWARD 等 人 发 现 实 测 用 力 的 重 复 性 要 好 于 目 标 用 力 [12] , 用 力方 式 是 否 成 为 频 域 指 标 趋 势 差 异 变 化 的 明 确 影 响 因 素 , 还 需 进 一 步 的 考 证 。4.2 sEMG 信 号 的 非 线 性 特 征虽 然 sEMG 信 号 的 非 线 性 特 点 已 被 确 认 , 但 是 如 何 采 用 适 合 该 信 号 特 点 的 分 析 方 法 来探 究 非 疲 劳 肌 肉 的 力 - 电 关 系 尚 属 起 步 阶 段 。 与 传 统 的 FFT 以 及 近 来 的 小 波 分 析 (wavelets)方 法 相 比 ,Lempel-Ziv 复 杂 度 计 算 以 及 RQA 分 析 均 采 取 了 类 似 自 回 归 函 数 的 方 法 , 通 过 自我 比 较 对 时 间 序 列 信 号 的 变 化 规 律 加 以 归 纳 , 因 此 这 类 方 法 对 于 信 号 本 身 的 稳 态 性 、 周 期 性和 统 计 分 布 特 点 均 无 特 殊 要 求 。 作 为 定 量 刻 画 sEMG 信 号 非 线 性 动 力 学 特 征 的 新 指 标 ,C(N)和 DET% 主 要 反 映 的 是 sEMG 信 号 活 动 的 有 序 性 。 目 前 非 线 性 研 究 多 集 中 于 肌 肉 的 疲 劳 ,但 对 于 C(N) 和 DET% 在 非 疲 劳 肌 肉 中 不 同 负 荷 水 平 的 变 化 规 律 少 见 报 道 。 本 研 究 发 现 在 主动 控 制 连 续 用 力 的 ramp 收 缩 方 式 下 ,C(N) 在 肌 力 的 递 增 过 程 中 始 终 保 持 稳 定 ,DET% 则 表现 为 开 始 的 显 著 下 降 直 至 中 高 负 荷 水 平 。 上 述 发 现 发 展 了 关 于 非 疲 劳 肌 肉 sEMG 信 号 特 征的 认 识 , 为 在 理 论 上 深 入 研 究 力 - 电 关 系 以 及 背 后 的 生 - 电 机 制 提 供 了 新 的 实 验 事 实 。4.2.1 非 线 性 指 标 Lempel-Ziv 复 杂 度 的 特 征 变 化C(N) 从 其 定 义 和 算 法 上 可 以 认 为 是 对 混 沌 信 号 数 学 复 杂 性 程 度 的 一 种 描 述 。 本 实 验 中C(N) 在 肌 力 的 递 增 过 程 中 始 终 能 保 持 稳 定 的 趋 势 , 在 各 用 力 阶 段 内 的 变 化 均 没 有 超 过 其 初始 阶 段 的 15%, 此 结 果 未 见 报 道 。 此 发 现 与 先 前 step 实 验 下 所 得 的 结 果 一 致 :C(N) 表 现 为不 依 赖 肌 张 力 的 变 化 而 一 直 保 持 稳 定 [8] 。 基 于 上 述 结 果 , 本 研 究 认 为 在 肱 二 头 肌 的 静 态 运 动中 , 当 其 功 能 状 态 不 变 ( 非 疲 劳 状 态 ) 而 仅 仅 改 变 其 活 动 水 平 时 ,sEMG 信 号 的 数 学 复 杂 性始 终 保 持 恒 定 。 叶 伟 等 发 现 在 静 态 最 大 随 意 收 缩 诱 发 的 肱 二 头 肌 疲 劳 过 程 中 ,C(N) 能 明 显感 知 其 功 能 状 态 的 变 化 : 表 现 为 疲 劳 早 期 的 快 速 下 降 [13,14] 。 王 健 等 分 别 考 察 3 种 亚 最 大 运 动负 荷 条 件 下 考 察 了 肌 肉 疲 劳 过 程 中 sEMG 信 号 活 动 的 非 线 性 参 数 变 化 , 发 现 非 线 性 参 数 C(N)

呈 单 调 递 减 变 化 [15] 。 这 就 提 示 C(N) 或 许 在 区 别 肌 肉 功 能 状 态 和 活 动 水 平 时 , 具 有 一 定 的 敏感 性 。 力 - 电 关 系 研 究 之 所 以 成 为 sEMG 信 号 分 析 的 基 本 问 题 , 其 原 因 在 于 肌 肉 活 动 水 平 和功 能 状 态 是 很 难 有 效 区 分 的 两 大 关 键 影 响 因 素 , 因 此 上 述 发 现 为 后 续 的 区 分 研 究 提 供 了 新 的线 索 。4.2.2 非 线 性 指 标 DET% 的 特 征 变 化RQA 分 析 技 术 从 理 论 上 讲 非 常 适 合 sEMG 信 号 尤 其 是 在 非 恒 力 运 动 中 的 分 析 ,WEBBER 等 也 证 实 了 DET% 在 变 力 诱 发 的 肌 肉 疲 劳 的 早 期 判 断 中 具 有 一 定 的 可 行 性 [16,17] 。对 于 DET% 的 生 物 学 意 义 而 言 , 目 前 认 为 是 对 生 理 信 号 的 一 种 数 学 有 序 性 的 测 度 , 其 大 小 反映 了 该 生 理 信 号 的 周 期 性 程 度 。FILLIGOIG 等 曾 考 察 了 肱 二 头 肌 肉 在 静 态 step 和 ramp 两 种范 式 下 的 DET% 变 化 , 发 现 ramp 方 式 下 DET% 在 20%MVC 向 100%MVC 递 增 过 程 中 线 性递 增 而 后 随 力 的 恒 定 而 恒 定 [6] 。 本 结 果 表 明 , 静 态 实 验 下 肱 二 头 肌 sEMG 信 号 的 数 学 有 序 程度 会 在 一 定 的 MVC% 范 围 内 下 降 , 而 超 过 这 一 范 围 则 会 保 持 恒 定 或 略 有 增 加 。FARINA 等在 模 拟 表 面 肌 电 的 实 验 模 型 中 发 现 DET% 恰 恰 与 MPF 成 反 变 趋 势 ,DET% 会 随 平 均 动 作 电位 传 导 速 度 的 增 加 而 线 性 递 减 , 随 同 步 化 程 度 的 增 加 而 线 性 递 增 [18] 。 由 此 可 以 对 本 实 验 的结 果 作 如 下 推 测 :DET% 开 始 的 递 减 与 兴 奋 传 导 速 度 较 快 的 Ⅱ 型 肌 纤 维 募 集 比 例 增 加 有 关 ,当 肌 力 超 出 一 定 MVC% 范 围 之 后 , 肌 纤 维 的 募 集 几 近 完 成 , 肌 力 的 增 加 主 要 依 靠 神 经 元 放电 频 率 以 及 对 各 运 动 单 位 同 步 化 水 平 的 调 节 来 实 现 ; 此 后 由 于 平 均 传 导 速 度 (MFCV) 的 恒定 以 及 同 步 化 程 度 的 提 高 便 可 能 是 DET% 稳 定 或 上 升 的 原 因 。 本 研 究 提 示 , 相 对 于 线 性 频 域指 标 而 言 ,DET% 显 然 在 非 疲 劳 肌 肉 不 同 活 动 水 平 的 感 知 中 更 具 敏 感 性 。 对 于 DET% 是 否 能够 取 代 频 域 指 标 而 成 为 区 分 非 疲 劳 肌 肉 不 同 活 动 水 平 的 有 效 指 标 , 显 然 是 值 得 后 续 研 究 进 一步 探 讨 的 。4.2.3 非 线 性 指 标 在 ramp 和 step 范 式 下 的 趋 势 比 较step 和 ramp 之 所 以 成 为 静 态 肌 肉 力 - 电 关 系 研 究 中 的 两 种 经 典 实 验 范 式 , 其 原 因 在 于 它们 几 乎 囊 括 了 所 有 非 疲 劳 状 态 下 日 常 运 动 和 任 务 操 作 的 基 本 运 动 控 制 模 式 。 前 者 肌 肉 始 终 处于 等 长 的 恒 力 收 缩 以 对 抗 外 来 的 实 际 用 力 , 后 者 使 目 标 肌 肉 持 续 变 力 输 出 以 满 足 外 在 目 标 的要 求 , 是 一 种 包 含 更 多 神 经 肌 肉 反 馈 调 节 的 主 动 控 制 模 式 。 在 以 往 线 性 分 析 研 究 中 , 关 于 不同 范 式 下 频 域 指 标 的 变 化 规 律 是 否 存 在 差 异 , 以 及 这 些 差 异 变 化 是 否 由 不 同 的 范 式 所 致 , 一

直 是 备 受 争 议 的 问 题 。 本 系 列 研 究 的 目 标 之 一 在 于 探 讨 代 表 两 种 不 同 运 动 控 制 模 式 下 的 力 -电 变 化 差 异 , 尤 其 是 尝 试 非 线 性 方 法 探 讨 在 两 种 范 式 下 的 规 律 , 以 期 发 现 外 部 效 度 良 好 的 区分 指 标 。 我 们 分 别 以 先 前 step 范 式 下 男 性 被 试 的 10%MVC 阶 段 以 及 本 实 验 中 ramp 范 式 第一 秒 的 数 据 为 基 准 进 行 标 准 化 处 理 , 比 较 非 线 性 指 标 C(N)、DET% 的 变 化 规 律 ( 图 5)。 结果 发 现 虽 然 频 域 指 标 在 两 种 范 式 下 的 变 化 并 不 相 同 , 但 是 作 为 非 线 性 指 标 的 C(N) 和 DET%的 变 化 趋 势 却 非 常 相 似 :C(N) 并 不 受 用 力 程 度 的 影 响 而 保 持 恒 定 ;DET% 在 由 低 负 荷 向 中 高负 荷 的 递 增 中 表 现 为 显 著 下 降 而 后 则 保 持 稳 定 。 此 发 现 进 一 步 发 展 了 非 线 性 方 法 更 适 合 于sEMG 信 号 分 析 的 观 点 , 无 论 在 对 于 疲 劳 肌 肉 功 能 状 态 的 感 知 中 , 还 是 在 非 疲 劳 状 态 下 肌 肉不 同 活 动 水 平 的 甄 别 。5. 结 论本 研 究 通 过 对 肱 二 头 肌 在 5 秒 钟 的 连 续 递 增 负 荷 条 件 下 sEMG 信 号 变 化 的 检 测 和 分 析 ,得 到 以 下 结 论 : 在 负 荷 水 平 从 0 到 MVC 过 程 中 ,AEMG 呈 单 调 递 增 趋 势 ;MPF、MF 以 及C(N) 均 无 显 著 差 异 ;DET% 值 会 随 着 用 力 程 度 的 连 续 递 增 而 改 变 , 表 现 出 先 明 显 下 降 而 后 稳定 的 趋 势 。 研 究 认 为 ,C(N) 在 区 别 肌 肉 功 能 状 态 和 活 动 水 平 两 大 关 键 影 响 因 素 时 , 具 有 相当 的 区 分 度 ; 相 对 于 线 性 频 域 指 标 而 言 ,DET% 在 感 知 非 疲 劳 肌 肉 的 不 同 活 动 水 平 中 更 具 敏感 性 。参 考 文 献[1] 宋 超 , 王 健 . 非 疲 劳 状 态 下 肌 肉 活 动 的 力 - 电 关 系 . 中 国 运 动 医 学 杂 志 [J],2004,23(3):348-351.[2] BILODEAUM, ARSENAULTAB, GRAVELD, et al. EMG power spectrum of ellbow extensorsduring ramp and step isometric Contractions [J]. Eur.J.Appl.Physiol,1991,(63): 24-28[3] NYBOAL,NIELSHS. Cerebral Perturbations Provoked by Prolonged Exercise [J]. Progress inNeurobiology, 2004,(72):223-261.[4] 蔡 立 羽 , 王 志 中 , 张 海 红 . 基 于 混 沌 、 分 形 理 论 的 表 面 肌 电 信 号 非 线 性 分 析 [J]. 北 京 生 物医 学 工 程 , 2000,19(2): 82-86.[5] WEBBERCLJR, ZBILUTJP. Dynamical Assessment of Physiological Systems and StatesUsing Recurrence Plot Strategies[J ]. J App l Physiol, 1994, 76 (2) : 965-973.[6] FILLIGOIG,FELICIF. Detction of hidden rhythms in surface EMG signals with a nonlineartime-seris tool[J].Medical Engineering and Physics,1999,21(6/7):439-448.[7] FRANCESCO, FRANCESCA, RAFFAELE,et al. Corticospinal drive during painful voluntarycontractions atconstant force output [J]. Brain Research, 2007,(1128):91–98.[8] 宋 超 , 王 健 , 方 红 光 . 间 断 递 增 负 荷 条 件 下 肌 肉 活 动 的 力 - 电 关 系 . 体 育 科 学 [J],2006,26

(3):50-52.[9] GERDLEB,ERIKSSONNE,HAGBERGC. Changes in the surface electromyogram duringincreasing isometric shoulder forward flexions[J]. Eur.J.Appl.Physiol,1988 ,(57):404-408[10] BILODEAUM, ARSENAULTAB, GRAVELD, et al. The influence of an increase in the levelof force on the EMG power spectrum of elbow extensors[J]. Eur.J.Appl.Physiol,1990,(61):461-466[11] BILODEAUM,et al. Comparison of the EMG power spectrum of human soleus andgastroemius muscles. Eur.J.Appl.Physiol,1994,(68):395~401[12] EDWARD, DARIO,ROBERTO.Cross-comparison of time- and frequency-domain methodsfor monitoring the myoelectric signal during a cyclic,force-varying, fatiguing hand-griptask[J]. Journal of Electromyography and Kinesiology, 2005,(15):256–265[13] 刘 加 海 . 基 于 sEMG 信 号 非 线 性 动 力 学 分 析 的 肌 肉 功 能 状 态 评 价 研 究 [M]. 浙 江 大 学 博士 学 位 论 文 ,2001.[14] 叶 伟 . 静 态 运 动 负 荷 诱 发 肌 肉 疲 劳 过 程 中 sEMG 信 号 变 化 的 生 理 机 制 [M]. 浙 江 大 学 硕士 学 位 论 文 ,2002.[15] 王 健 , 方 红 光 , 杨 红 春 . 运 动 性 肌 肉 疲 劳 的 表 面 肌 电 非 线 性 信 号 特 征 [J]. 体 育 科 学 ,2005,25(5):39-43.[16] ELBERTT,RAYWJ,KOWALIKZJ, et al. Chaos and physiology: deterministic chaos inexcitable cell assemblies[J]. Physiol Rev, 1994 (74): 1-47[17] WEBBERCL. Influence of isometric loading on biceps EMG dynamics as saaessed by linearand nonlinear tools. J Appl Physiol,1995, 79(3):814-822[18] FARINA D. Nonlinear surface EMG analysis to detect changes of motor unit conductionvelocity and synchronization[J]. J Appl. Physiol,2002 (93): 1753-1763