馬劍雄，馮 睿，王 穎

綜述

表面肌電檢測(cè)技術(shù)在骨科的運(yùn)用

馬劍雄，馮 睿，王 穎

由于人體細(xì)胞的細(xì)胞膜在不同狀態(tài)下對(duì)離子有選擇性透過(guò)作用，這使得細(xì)胞在狀態(tài)轉(zhuǎn)變的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生微弱電流。表面肌電就是利用表面電極收集肌肉的肌電活動(dòng)得出的數(shù)據(jù)圖。由于無(wú)創(chuàng)無(wú)痛且較容易實(shí)現(xiàn)，表面肌電已越來(lái)越多的用于臨床工作。臨床醫(yī)師通過(guò)對(duì)表面肌電圖中的積分肌電、均方根振幅、平均振幅等統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行分析可以達(dá)到評(píng)價(jià)骨骼肌功能，診斷腕管綜合征和評(píng)估神經(jīng)損傷，腰背痛的肌肉定位，以及指導(dǎo)恢復(fù)訓(xùn)練等目的。

表面肌電；骨科；肌肉；信號(hào)

表面肌電圖（surface electromyography，sEMG），也稱動(dòng)態(tài)肌電圖（dynamic electromyography，DEMG），是將電極貼服于對(duì)應(yīng)肌肉的皮膚表面，收集整塊肌肉的肌電活動(dòng)而綜合計(jì)算得出的數(shù)據(jù)圖[1]。表面肌電圖可以檢測(cè)由于有效刺激使肌細(xì)胞內(nèi)外的電位改變引起的細(xì)胞興奮變化，從而評(píng)價(jià)肌肉功能。

表面肌電檢測(cè)作為一種無(wú)創(chuàng)且無(wú)痛的檢測(cè)技術(shù)，已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用于臨床工作。表面肌電檢測(cè)技術(shù)結(jié)合了檢測(cè)、治療、評(píng)定等多項(xiàng)功能，在很多領(lǐng)域都體現(xiàn)出了其優(yōu)越性，本文綜述了一些表面肌電的檢測(cè)技術(shù)以及在骨科中的運(yùn)用。

1sEMG技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 肌電產(chǎn)生的機(jī)制 由于人體細(xì)胞包括肌細(xì)胞會(huì)選擇性的吸收和排出各種離子造成細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境離子濃度的差異。在靜息狀態(tài)下，K+外流的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Na+的內(nèi)流速度，使得細(xì)胞內(nèi)的正離子濃度高于細(xì)胞外正離子濃度，從而造成了“內(nèi)負(fù)外正”的靜息電位；當(dāng)肌細(xì)胞受到刺激（化學(xué)刺激或電刺激等）興奮時(shí)，細(xì)胞膜突然增大了對(duì)Na+離子的通透，Na+離子迅速內(nèi)流，使細(xì)胞內(nèi)電位升高，最終變?yōu)椤皟?nèi)正外負(fù)”，這就是動(dòng)作電位。動(dòng)作電位在肌細(xì)胞膜上傳導(dǎo)，引起整個(gè)肌纖維的興奮，產(chǎn)生肌肉收縮。肌肉收縮和這些肌細(xì)胞的電位變化有十分密切的偶聯(lián)關(guān)系[2]。

1.2 肌電測(cè)量方式的分類 根據(jù)采集電極和測(cè)量?jī)x的不同，肌電的測(cè)量方法分為很多種。目前引導(dǎo)肌電的電極主要分為兩種，針電極和表面電極。

針電極是一種接有傳導(dǎo)線的金屬導(dǎo)針，其中包括同心針電極、雙心針電極、多導(dǎo)針電極和單肌纖維針電極。它的特點(diǎn)是電極與身體作用區(qū)域小，可以對(duì)肌肉特定部位的單根肌纖維到數(shù)十根肌纖維的電活動(dòng)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測(cè)量，同時(shí)可用于深層肌肉及其內(nèi)部的電生理變化的檢測(cè)。臨床上主要應(yīng)用于周圍神經(jīng)和上運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損傷的診斷。然而，針電極提取肌電信號(hào)時(shí)需要將電極插入肌肉內(nèi)，會(huì)給受檢者造成一定程度的損失和感染，而且，對(duì)于整塊肌肉電變化的反應(yīng)不佳。

表面電極的產(chǎn)生不但解決了這些問題，還開啟了運(yùn)動(dòng)中肌電變化的研究。表面電極一般是較小的具有優(yōu)良導(dǎo)電性的金屬片，將金屬片之間貼附在肌腹對(duì)應(yīng)的皮膚表面。其采集到的表面肌電信號(hào)主要是淺層肌肉肌電信號(hào)和神經(jīng)干上電活動(dòng)的綜合效應(yīng)。實(shí)際使用中，多采用標(biāo)準(zhǔn)雙電極模式以及差分模式，從而減少相鄰肌肉肌電信號(hào)的交叉干擾。表面肌電電極也有其缺點(diǎn)，即對(duì)深部的肌肉無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，當(dāng)然也包括肌肉內(nèi)部某部位或某一運(yùn)動(dòng)單位的肌電變化。另外,表面電極引導(dǎo)出的肌電是電極下許多運(yùn)動(dòng)單位產(chǎn)生的動(dòng)作電位互相疊加的結(jié)果,數(shù)據(jù)信號(hào)十分復(fù)雜,不易提取有效參數(shù)。

目前,許多國(guó)家都有比較成熟的肌電采集,如芬蘭的MEGA和美國(guó)的Noraxon表面肌電儀等。隨著發(fā)展，采集通道的種類也變得越來(lái)越全面，其中不僅含有簡(jiǎn)單的2通道、4通道還包括了高級(jí)的8通道和16通道。根據(jù)傳輸技術(shù)的不同也被分為在線測(cè)量和無(wú)線測(cè)量?jī)煞N類型?？傊‰姕y(cè)量?jī)x的研制正朝著多通道、微型、微創(chuàng)或無(wú)創(chuàng)、快速、實(shí)時(shí)、遙測(cè)、動(dòng)態(tài)、智能化的方向發(fā)展。

1.3 sEMG的分析 在臨床實(shí)踐等各種應(yīng)用中，能否充分利用肌電信號(hào)提供的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)肌肉系統(tǒng)狀態(tài)的準(zhǔn)確跟蹤、判斷或預(yù)測(cè)的目的，極大地依賴于肌電信號(hào)的特征提取方法和分析手段。近年來(lái)，隨著微處理器和計(jì)算機(jī)引入肌電測(cè)量領(lǐng)域，多種肌電信號(hào)的數(shù)字化分析方法由此產(chǎn)生，主要包括：時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻分析和非線性動(dòng)力學(xué)分析。

時(shí)域分析是肌電信號(hào)分析的最直接方法，它將肌電信號(hào)表達(dá)成記錄點(diǎn)的電位-時(shí)間曲線，通過(guò)分析得到肌電信號(hào)的某些統(tǒng)計(jì)特征，常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)有積分肌電（integrated electromyogram，IEMG）、均方根振幅（root mean square，RMS）、平均振幅（mean amplitude，MA）[3]等。IEMG是指肌肉中參與活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單位在一定時(shí)間內(nèi)放電的總和，它反映了隨著時(shí)間的變化電信號(hào)強(qiáng)弱的變化情況，其大小可以評(píng)估參與電活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單位的數(shù)量。有研究[4]認(rèn)為肌肉隨意靜力收縮時(shí)，IEMG的大小與肌張力和肌力的變化成正相關(guān)。均方根振幅(RMS)用來(lái)描述一段時(shí)間內(nèi)肌電的平均變化特征，指此段時(shí)間內(nèi)所有振幅的均方根值，但不能反映肌電信號(hào)的細(xì)節(jié)變化。MA為振幅的平均值，其主要意義是評(píng)價(jià)肌電信號(hào)的強(qiáng)度與參與的運(yùn)動(dòng)單位數(shù)目及放電頻率同步情況。時(shí)域分析方法最早應(yīng)用于肌電信號(hào)分析，但其自身的不穩(wěn)定性、易受干擾性限制了它在肌電信號(hào)處理領(lǐng)域的應(yīng)用。

頻域分析是指在頻率方面評(píng)價(jià)肌電信號(hào)的指標(biāo)分析，主要分析方法是將時(shí)域信號(hào)通過(guò)快速傅立葉轉(zhuǎn)換(fourier transform，F(xiàn)FT)，獲得表面肌電信號(hào)的頻譜或功率譜，它們可反映表面肌電信號(hào)在不同頻率分量的變化，故能較好地在頻率維度上反映表面肌電信號(hào)的變化特征。該分析方法在表面肌電信號(hào)分析中具有重要價(jià)值[5]。頻域常用指標(biāo)主要有平均功率頻率（mean power frequency，MPF）和中值頻率（mean frequency，MF）等。MPF是指經(jīng)過(guò)功率譜線重心的頻率；MF是各個(gè)時(shí)間段功率的平均值。兩者均能反映肌肉活動(dòng)和功能的狀態(tài)，但一般認(rèn)為MPF在反映較低負(fù)荷收縮時(shí)的靈敏度較高，MF在抗噪聲干擾方面更具優(yōu)勢(shì)。在分析具有非平穩(wěn)性和對(duì)肌肉活動(dòng)有敏感依賴性的肌電信號(hào)上，頻率域分析有其局限性，尚難全面、準(zhǔn)確的反應(yīng)變化規(guī)律[6]。

在肌電信號(hào)的分析中，也有把時(shí)間域和頻率域結(jié)合起來(lái)的小波分析法。該方法通過(guò)對(duì)不同功能狀態(tài)下的肌電信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男〔ㄞD(zhuǎn)換，在不同的尺度下觀察其頻率與時(shí)間的變化特性。蔚二文等[7]認(rèn)為小波分析可以在任何細(xì)節(jié)上分析信號(hào)，且對(duì)噪聲不敏感，是表面肌電分析較理想的工具。王樂軍等[8]繼承和發(fā)展了小波分析和小波包分析作為傅里葉變換的理論，很好地解決了傅里葉變換中時(shí)域分辨率與頻域分辨率的局部化矛盾及分析非穩(wěn)態(tài)、非線性信號(hào)的局限性問題。但是這些時(shí)頻分析方法同樣存在一定的不足之處，即當(dāng)信號(hào)成分較多時(shí)，不同成分之間容易出現(xiàn)交叉項(xiàng)，引起偽像，從而影響信號(hào)特征的提取。

由于肌電信號(hào)的非穩(wěn)定特征，使傳統(tǒng)的肌電信號(hào)分析方法都受到一定的限制，因此越來(lái)越多的研究者開始嘗試應(yīng)用非線性信號(hào)分析的方法對(duì)此進(jìn)行研究。同時(shí)，電生理研究表明，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)高度非線性的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。于是，非線性動(dòng)力學(xué)分析方法在肌電信號(hào)的分析方面逐漸得到重視。

2 sEMG在骨科中的運(yùn)用

2.1 表面肌電評(píng)價(jià)骨骼肌功能 sEMG主要表示的是肌肉電生理的變化，所以其首要意義就是對(duì)肌肉功能進(jìn)行評(píng)價(jià)[9]。通過(guò)觀察采集的信號(hào)，可以很直觀的發(fā)現(xiàn)肌肉是否能產(chǎn)生隨意的活動(dòng)。雖然其信號(hào)的變化不能直接反映骨骼肌肌力的大小，但是一些研究[10-12]發(fā)現(xiàn)sEMG信號(hào)可以用來(lái)評(píng)估肌肉疲勞。有學(xué)者采用表面肌電的方法對(duì)股直肌三種不同的收縮方式、不同時(shí)期的疲勞程度進(jìn)行評(píng)判，發(fā)現(xiàn)IEMG值和P-P峰值能較好的反應(yīng)人體肌肉運(yùn)動(dòng)疲勞的狀態(tài)。馬國(guó)際等[13]的研究結(jié)果表明，sEMG的IEMG、RMS、MA等時(shí)間域值在疲勞過(guò)程中是呈上升趨勢(shì)的；而反映頻譜曲線特征的MPF和MF是下降的。Hendrix等[14]在其論著中提到“肌電疲勞域”以此來(lái)評(píng)價(jià)肌肉的疲勞狀態(tài)。

2.2 表面肌電在腕管綜合征中的應(yīng)用 腕管是由8塊腕骨和橫架在上面的腕橫韌帶共同組成的骨性纖維性通道，其中穿行正中神經(jīng)和9條肌腱。由于腕管內(nèi)的空間很有限，加之周圍組織缺乏彈性，當(dāng)腕管壓力升高時(shí)，其內(nèi)穿行的組織，尤其是正中神經(jīng)容易受到卡壓，引發(fā)腕管綜合征。早在上世紀(jì)80年代，美國(guó)電生理診斷協(xié)會(huì)就公布了腕管綜合征的電生理的診斷和分類標(biāo)準(zhǔn)。近些年，不斷有研究肯定sEMG在診斷和評(píng)估腕管綜合征中的有效性。牛仁山等[15]通過(guò)對(duì)69例病人進(jìn)行肌電圖分析，發(fā)現(xiàn)刺激環(huán)指比較相同距離正中神經(jīng)與尺神經(jīng)潛伏期之差值，是腕管綜合征早期診斷的敏感指標(biāo)。楊繼紅等[16]發(fā)現(xiàn)在其觀察的病例中，sEMG表現(xiàn)為正中神經(jīng)SCV輕度減慢或誘發(fā)電位波幅降低，正中神DML延長(zhǎng)，MCV異常，拇短展肌EMG呈神經(jīng)原性損害。

2.3 表面肌電在腰背痛中的意義 通過(guò)sEMG檢測(cè)，可以精確發(fā)現(xiàn)軟組織損傷和慢性疼痛患者的問題肌肉，發(fā)現(xiàn)肌肉的不對(duì)稱收縮。腰背痛是一種常見病，其主要表現(xiàn)是非創(chuàng)傷性的腰背部疼痛和運(yùn)動(dòng)功能受限。影像學(xué)檢查諸如X線、CT、MRI等對(duì)腰背痛的診斷有一定意義，但是均不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察和評(píng)估。國(guó)外有學(xué)者[17]比較了健康和慢性腰背痛的病人不同時(shí)間的0%～100%收縮可靠性，發(fā)現(xiàn)評(píng)價(jià)不同天之間的軀干肌肉的sEMG信號(hào)時(shí)，中、高收縮幅值標(biāo)準(zhǔn)化更可取。余洪俊等[18]對(duì)正常人誘發(fā)急性下腰痛前后等長(zhǎng)收縮狀態(tài)下的sEMG進(jìn)行研究，檢測(cè)不同力學(xué)環(huán)境和屈曲角度下軀干背伸肌、臀大肌等長(zhǎng)收縮運(yùn)動(dòng)時(shí)sEMG的變化。首先用1 mL蒸餾水在L4，5棘突間隙注射誘發(fā)急性LBP，注射5 min后再次測(cè)量sEMG。結(jié)果發(fā)現(xiàn)誘發(fā)急性下腰背痛后,等長(zhǎng)收縮運(yùn)動(dòng)開始后30 s內(nèi)MPF值均增高，其中雙側(cè)臀大肌升高最明顯；MPF斜率沒有明顯變化。L5～S1水平豎脊肌和臀大肌RMS值下降，其中雙側(cè)臀大肌下降最為明顯。認(rèn)為急性下腰痛患者在等長(zhǎng)收縮運(yùn)動(dòng)早期豎脊肌和臀大肌MPF斜率值較正常時(shí)上升。衛(wèi)杰等[19]通過(guò)對(duì)有無(wú)腰背痛的飛行員進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在屈曲下兩類人群的FER有顯著差異。

2.4 表面肌電與恢復(fù)訓(xùn)練 創(chuàng)傷后功能的恢復(fù)一直是評(píng)價(jià)治療的一項(xiàng)重要指標(biāo)，良好的恢復(fù)性訓(xùn)練可以使患者基本恢復(fù)至健康時(shí)狀態(tài)，相反，不良的鍛煉可能導(dǎo)致治療的失敗甚至是進(jìn)一步的惡化。對(duì)于骨折復(fù)位后病人鍛煉的指導(dǎo)一直缺少有效而較客觀的指標(biāo)。

很多學(xué)者利用sEMG可以對(duì)局部肌肉在不同狀態(tài)下的功能情況進(jìn)行評(píng)估。其中許以誠(chéng)等[20]對(duì)比在振動(dòng)和非振動(dòng)下練習(xí)屈肘，同時(shí)施加不同的負(fù)荷，通過(guò)檢測(cè)肱二頭肌、屈腕肌、肱三頭肌和伸腕肌的肌電，發(fā)現(xiàn)當(dāng)負(fù)荷和肌肉收縮的方式相同時(shí)，振動(dòng)條件下肌電的IEMG/s值較大。他認(rèn)為在振動(dòng)條件下訓(xùn)練可以更好的提高肌肉興奮性。

3 展望

表面肌電是一種非常實(shí)用的檢測(cè)技術(shù)，隨著越來(lái)越多的運(yùn)用于各種領(lǐng)域，表面肌電技術(shù)也在不短的完善和提高。但是在很多方面還是需要我們努力研究。在信號(hào)采集方面，我們應(yīng)該針對(duì)采集時(shí)屏蔽局部噪聲信號(hào)的干擾；在分析方法方面，我們還需要拓展非線性分析的方法，更精確的分析數(shù)據(jù)；在骨科的運(yùn)用方面，除了可以研究將肌電與更多疾病的關(guān)系外，還應(yīng)加大在創(chuàng)傷后恢復(fù)方面的研究。

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（收稿：2014-01-26 修回：2014-06-16）

（責(zé)任編輯 馬信龍）

Q445

A

1007-6948(2014)04-0444-03

10.3969/j.issn.1007-6948.2014.04.043

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（81102607）；天津市科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目（13ZCZDSY01700）；天津市衛(wèi)生局科技攻關(guān)項(xiàng)目（12KG120）；天津市衛(wèi)生局科技攻關(guān)項(xiàng)目（11KG137）

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