神經(jīng)肌肉電刺激下小腿肌肉的電學(xué)特性研究*

孫 博 Panji Nursetia Darma 張全成 姚佳烽

（1）西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048；2）Department of Mechanical Engineering, Chiba University, Chiba263-0022,Japan；3）西安石油大學(xué)體育系，西安 710065；4）南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

通常，測量評估NMES 對肌肉的訓(xùn)練效果有以 下 方 法 。 a. 表 面 肌 電 圖 （surface electromyography，sEMG）作為一種“被動(dòng)”測量方法，其基本原理是記錄電極下方人體骨骼肌中運(yùn)動(dòng)單位電位產(chǎn)生的肌電信號。sEMG的時(shí)頻特性定量地反映了肌肉的功能狀態(tài)、肌肉群的協(xié)調(diào)性和肌肉的力量［6］。sEMG方法已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括手勢識別以及踩踏或步行分析［7-9］。b. 計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI） 和超聲成像（ultrasonic imaging，UI）。CT具有很好的肌肉形狀圖像分辨率，能夠準(zhǔn)確、清晰地區(qū)分人小腿成像中的肌肉、脂肪和骨骼。MRI是使用氧合［10］或收縮成像［11］提供肌肉結(jié)構(gòu)和功能信息的工具。MRI 能夠準(zhǔn)確反映NMES 對肌肉的訓(xùn)練效果［12］。UI 用于檢測肌肉厚度、肌肉纖維羽狀角和肌肉束活動(dòng)的變化，已經(jīng)被廣泛用于研究肌肉的生理特性［13］。

然而，NMES訓(xùn)練對肌肉效果的監(jiān)測所有常規(guī)檢測方法都有缺點(diǎn)。sEMG受到“噪音”的過度影響，無法專注于感應(yīng)特定肌肉的募集［14］。長期且定期進(jìn)行高強(qiáng)度阻力訓(xùn)練會增加人體骨骼肌的橫截面積，肌肉會發(fā)生明顯的形態(tài)學(xué)變化。因此，傳統(tǒng)成像檢測方法能夠通過對肌肉形態(tài)學(xué)變化的檢測來評估NMES訓(xùn)練對肌肉的效果，但傳統(tǒng)成像檢測方法設(shè)備體積較大無法攜帶，且價(jià)格高昂，無法實(shí)現(xiàn)在家或者床旁的長期監(jiān)測。然而，NMES下人體肌肉人體骨骼肌的電特性分布會發(fā)生了變化［15］，在這種情況下，我們提出了一種方法，電阻抗成像（electrical impedance tomography，EIT）技術(shù)解決了上述缺陷，成為一種通過監(jiān)測在長期NMES訓(xùn)練下不同肌肉響應(yīng)隔室電學(xué)特性來評估NMES對肌肉訓(xùn)練效果的新穎技術(shù)。

EIT是一種利用觀察區(qū)域內(nèi)物質(zhì)阻抗分布進(jìn)行成像的技術(shù)［16］。由于生物體不同組織在不同的生理、病理狀態(tài)下具有不同的電阻抗特性，采用各種激勵(lì)模式，對人體施加安全驅(qū)動(dòng)電流/電壓，通過生物組織在安全激發(fā)下測量響應(yīng)信息，重建人體內(nèi)部的電阻抗分布圖像［17］?；谶@一原理，生物電阻抗斷層成像技術(shù)發(fā)展為一種非侵入性，安全無輻射，響應(yīng)速度快、廉價(jià)的可視化方法［18］。當(dāng)人體骨骼肌在NMES 訓(xùn)練下發(fā)生電學(xué)特性分布變化時(shí)，EIT可以檢測到改變化并通過可視化的方法直觀的展示。

本文采用已開發(fā)的EIT系統(tǒng)對使用NMES訓(xùn)練小腿后側(cè)肌肉的效果進(jìn)行可視化和定量化分析，旨在將EIT 作為一種長期監(jiān)測方法，從而可視化NMES訓(xùn)練對人類小腿肌肉的訓(xùn)練效果。首先，將EIT 應(yīng)用于對右小腿NMES 訓(xùn)練前和5 周每周3 次后的電導(dǎo)率分布進(jìn)行成像，以得到EIT 重建圖像。然后，通過比較EIT重建圖像肌肉被刺激隔室的空間平均電導(dǎo)率<σ>和生物電阻抗分析（bioelectrical impedance analysis，BIA）方法所測得的右腿組織細(xì)胞外含水量比率βrl，驗(yàn)證EIT重構(gòu)圖像的電導(dǎo)率分布σ。最后，通過配對樣本t檢驗(yàn)評估NMES 的有效性，并且討論在NMES訓(xùn)練肌肉電學(xué)特性變化的生理原因。

1 儀器與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

EIT方法使用電傳感器收集材料內(nèi)部電特性的分布信息，電信號用作數(shù)據(jù)傳輸和處理的載體，適當(dāng)?shù)膱D像重建算法用于重建對象電特性的空間分布。EIT 系統(tǒng)通常分為3 個(gè)單元（圖1）。a. 傳感器陣列，使用了16 個(gè)電極可穿戴式傳感器。物理場分布信息被轉(zhuǎn)換為電信號，即根據(jù)物理場電特性的變化獲得測量值。b. 數(shù)據(jù)采集和處理單元，它使用多路復(fù)用器和阻抗分析儀（IM3570，HIOKI，日本）。該單元用于收集傳感器處理數(shù)據(jù)。c. 圖像重建單元（安裝Phython 軟件的個(gè)人計(jì)算機(jī)），該單元從測量信號重建物理場參數(shù)分布。在實(shí)際測量中，正弦電流的幅值設(shè)置為1 mA［19］，并且選擇1kHz 頻率關(guān)注于細(xì)胞外液，因?yàn)榈皖l電流僅穿透細(xì)胞間質(zhì)［20-21］。本研究采用的阻抗分析儀的阻抗測量精度為±0.08%，激勵(lì)頻率范圍為4 Hz~5 MHz。

Fig. 1 Electrical impedance tomography （EIT） system

Fig. 2 Human calf long-term experiment protocol

Fig. 3 The electrode locations for NMES and structure of calf muscle compartments

Fig. 4 EIT sensor location and electrode distribution

Fig. 5 The spatial-mean conductivity <σ>M1, ECW/TBW ratio βrl of right leg, and total body water (TBW) τ in control group (CG) during 5 experimental weeks

Fig. 6 The spatial-mean conductivity <σ>M1, ECW/TBW ratio βrl of right leg, and total body water (TBW) τ in optimal voltage intensity training group (OG) during 5 experimental weeks

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)對象和道德規(guī)范

根據(jù)千葉大學(xué)（Chiba University）人體實(shí)驗(yàn)倫理道德規(guī)范，所有受試者在獲得詳細(xì)解釋后，均已簽署研究的書面知情同意書，已了解參與有關(guān)的目的、潛在利益和風(fēng)險(xiǎn)。所有研究程序均根據(jù)赫爾辛基宣言和千葉大學(xué)研究道德規(guī)范進(jìn)行，并得到千葉大學(xué)人體實(shí)驗(yàn)委員會的批準(zhǔn)。16 名健康的年輕男性自愿參加此實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)對象的基本信息如表1所示。所有受試者均無任何肌肉骨骼或神經(jīng)系統(tǒng)疾病史，并在3個(gè)月內(nèi)無額外的肌肉訓(xùn)練和體育運(yùn)動(dòng)。

（3）經(jīng)費(fèi)使用要求：項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)、培訓(xùn)和會議經(jīng)費(fèi)支出應(yīng)合理合規(guī)，區(qū)縣（自治縣）民政局婚姻登記處應(yīng)加強(qiáng)對財(cái)務(wù)的監(jiān)管，保證項(xiàng)目資金的安全和正確使用。

Table 1 The information of experimental subjects

Table 2 The results of Shapiro-Wilk test and Kolmogorov-Smirnov test

Table 3 Conductivity distribution images σ in control group

Table 4 Conductivity distribution images σ in optimal voltage intensity training group

1.2.2 實(shí)驗(yàn)過程

這項(xiàng)研究的實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示，每個(gè)實(shí)驗(yàn)周期為1周，重復(fù)5周。16名實(shí)驗(yàn)對象被隨機(jī)分配到對照組（control group，CG，n=8）和最佳電壓強(qiáng)度NMES 訓(xùn)練組（optimal voltage intensity training group，OG，n=8）。對照組保持正常生活方式并不進(jìn)行NMES和其他的肌肉訓(xùn)練；NMES訓(xùn)練組中使用商業(yè)NMES 設(shè)備進(jìn)行23 min 的NMES 訓(xùn)練，每周3 次，為期5 周。NMES 硅膠電極的位置如圖3中左圖所示，該電極直接與受試者的皮膚接觸。該NMES設(shè)備有一個(gè)不同的電壓值，但使用恒定的控制電流，即8 mA。刺激周期規(guī)則是4 s 刺激，4 s停頓，刺激頻率為20 Hz。在OG 中，根據(jù)以前的研究計(jì)算的最佳電壓強(qiáng)度被用來訓(xùn)練受試者的右小腿［5］。在所有的實(shí)驗(yàn)步驟中，受試者都以坐姿進(jìn)行測量。

第1 天，首先在NMES 訓(xùn)練前進(jìn)行EIT 測量，重建人體右小腿的電導(dǎo)率分布圖像σ。圖4 顯示了可穿戴式傳感器的16個(gè)電極的位置和分布。然后，用BIA 測量右腿的細(xì)胞外含水量（ECW）與身體總含水量（TBW）的比率βrl（βrl=ECW/TBW），以獲取每次EIT 測量期間小腿組織水分含量的變化，該變化與小腿電導(dǎo)率變化有關(guān)，測量身體總含水量（TBW）τ，TBW 隨著瘦體重的增加而增加，這是由于肌肉大約73%是水份。最后，用NMES 訓(xùn)練受試者的小腿肌肉23 min。

第2 天和第4 天，沒有實(shí)驗(yàn)安排。要求實(shí)驗(yàn)對象在日常飲食中攝入適量的蛋白質(zhì)。

第3 天和第5 天，只進(jìn)行NMES 訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)對象的小腿肌肉受到NMES的刺激，持續(xù)23 min。

在CG中，除了不使用NMES訓(xùn)練受試者的小腿肌肉外，實(shí)驗(yàn)方案與OG的實(shí)驗(yàn)方案相同。

從阻抗Z重建電導(dǎo)率分布圖像σ的圖像重建算法使用高斯-牛頓方法［15］，表示為：

其中J是雅可比矩陣，JT是雅可比矩陣的轉(zhuǎn)置。μ是超參數(shù)。ΔZ =[ΔZ1，…，ΔZm，…ΔZM] ??M，是頻差EIT中高頻f2= 1 kHz注入電流下的一個(gè)測量阻抗Zf2和低頻f1= 500 Hz注入電流下的另一個(gè)測量阻抗Zf1之間的阻抗差［22］，其表示方法為：

為了定量的評估肌肉電導(dǎo)率分布的變化，空間平均電導(dǎo)率<σ>被定義為：

1.3 數(shù)據(jù)分析和處理

根據(jù)之前的研究，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后小腿肌肉隔室的空間平均電導(dǎo)率<σ>發(fā)生了變化，因此EIT 重建圖像中的肌肉層色深也發(fā)生了變化。在NMES 刺激下，有兩個(gè)小腿肌肉隔室的電學(xué)響應(yīng)明顯，分別表示為由腓腸肌組成的M1隔室和由脛前肌、趾長伸肌，及腓骨長肌組成的M2隔室，如圖3 中右圖所示。NMES 主要覆蓋在M1肌肉隔室，M1被認(rèn)為主要參與腿部肌肉的快速募集，因?yàn)樗园准±w維（II 型快肌）為主［23］。M1（腓腸肌）被收縮的同時(shí)，小腿前部M2肌肉隔室的肌肉被拉伸，M1與M2屬于拮抗肌肉對，因此M2肌肉隔室在NMES 刺激下發(fā)生的電學(xué)響應(yīng)是由于肌肉機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，由于本研究的目的是可視化NMES 訓(xùn)練對人類小腿肌肉的訓(xùn)練效果，因此下面的研究重點(diǎn)評估了M1區(qū)間的電導(dǎo)率分布。所有數(shù)據(jù)均以組內(nèi)所有受試者的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差表示。為了長期使用NMES 對人類小腿肌肉的訓(xùn)練效果，將配對樣本t檢驗(yàn)應(yīng)用于空間平均電導(dǎo)率<σ>，ECW/TBW 比率值βrl，以及身體總含水量（TBW）τ，顯著性水平設(shè)定為a=0.05。使用SPSS 軟件（版本25.0）的描述性統(tǒng)計(jì)功能來檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布，表2 顯示了Shapiro-wilk 檢 驗(yàn) 和Kolmogorov-smirnow 檢 驗(yàn) 的 結(jié)果。在α=0.05，P>0.05 的檢驗(yàn)水平下，不拒絕無效假設(shè)。因此，可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。

2 結(jié) 果

2.1 對照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3顯示了由公式（1）和（2）得到的對照組（CG）8 名受試者右小腿的電導(dǎo)率分布圖像σ。在不同受試者的實(shí)驗(yàn)中，肌肉層在重建圖像中很好地被識別。盡管使用所提出方法仍在不同的受試者中觀察到一些噪音，但是觀察到EIT能夠清楚檢測到小腿肌肉隔室的電學(xué)特性在對照組5周的測量中無明顯變化。

圖5a 中的實(shí)色條形圖顯示了在CG 組5周的監(jiān)測中右小腿M1肌肉隔室的空間平均電導(dǎo)率<σ>M1。M1的空間平均電導(dǎo)率從第1周的<σw1>M1=0.155到第5 周的<σw5>M1=0.154（n=8，P>0.05）沒有明顯變化。圖5b 中的實(shí)色條形圖顯示了用生物電阻抗（Inbody S10，InBody Co.，Ltd，韓國）方法測量所得右腿的細(xì)胞外含水量（ECW）與身體總含水量（TBW）的比率（ECW/TBW）βrl。ECW/TBW從第1 周的βw1rl=0.375 到βw5rl=0.375（n=8，P>0.05）沒有明顯變化。圖5b 中的實(shí)線圖顯示了用BIA 方法測量所得的身體總含水量（TBW）τ。第5 周TBW 值τw5=39.62 L 與第1 周的TBW 值τw1=39.81 L相比無明顯變化（n=8，P>0.05）。

2.2 NMES訓(xùn)練組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 顯示了由公式（1）和（2）得到的OG 組8 名受試者右小腿的電導(dǎo)率分布圖像σ，通過EIT檢測在5 周NMES 訓(xùn)練中8 名受試者小腿肌肉電學(xué)特性的變化。表4顯示使用EIT方法對于檢測小腿骨骼肌在NMES 訓(xùn)練下引起的小腿肌肉電學(xué)特性變化的檢測具有令人滿意的結(jié)果。電導(dǎo)率圖像顯示，在使用NMES訓(xùn)練右小腿肌肉的第2周電導(dǎo)率發(fā)生顯著增加，隨后第3、4、5周仍有增加，但變化并不明顯。

圖6a中的實(shí)色條形圖顯示了NMES訓(xùn)練組5周內(nèi)右小腿M1肌肉隔室的空間平均電導(dǎo)率<σ>M1的變化趨勢。M1的空間平均電導(dǎo)率從第1 周的<σw1>M1=0.159 明顯增加到第5 周的<σw5>M1=0.248（n=8，P<0.01）。圖6b中的點(diǎn)狀彩條圖顯示了用BIA方法測量所得右腿的細(xì)胞外含水量（ECW）與身體總含水量（TBW）的比率（ECW/TBW）βrl，ECW/TBW 也有增加趨勢，從第1 周的βw1rl=0.365 到βw5rl=0.378（n=8，P＜0.01）。圖6b中的點(diǎn)線圖顯示了用BIA 方法測量所得的身體總含水量（TBW）。第5周TBW 值τw5=42.22 L 與 第 一 周 的TBW 值τw1=42.25 L相比無明顯變化（n=8，P>0.05）。

3 討 論

一般來說，有兩個(gè)原因用于研究NMES訓(xùn)練下人類肌肉組織的生理響應(yīng)，即肌肉收縮的“血液動(dòng)力學(xué)”原因和肌肉收縮的“新陳代謝”原因［24］。

在肌肉收縮的“血液動(dòng)力學(xué)”原因中，一般的概念是，肌肉收縮會壓縮骨骼肌中的血管（尤其是靜脈），而松弛會引起吸力或束縛。這種現(xiàn)象稱為肌肉泵，它使血管以允許血流速度急劇上升的方式打開［25］。當(dāng)骨骼肌有規(guī)律地收縮時(shí)發(fā)生的充血是正常哺乳動(dòng)物組織中最大的灌注增加之一［26］，肌肉充血通常用于確定目標(biāo)訓(xùn)練肌肉是否得到有效訓(xùn)練。已經(jīng)認(rèn)識到在肌肉收縮期間骨骼肌的血流量急劇增加［27］。而且，運(yùn)動(dòng)過程中的血流量增加僅限于收縮肌肉，這直接作用于給定肌肉群內(nèi)被募集的纖維［28］。Currier等［29］在NMES下進(jìn)行了一項(xiàng)血流研究，當(dāng)電刺激施加于人的小腿肌肉組織時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，在電刺激的第1分鐘血流量便增加，并在隨后的刺激中保持相對穩(wěn)定的水平。

另一方面，是肌肉收縮的“新陳代謝”原因。肌漿肥大的主要成因是無氧代謝機(jī)制，NMES快速招募目標(biāo)肌肉，會給代謝帶來很大壓力，而隨著肌纖維增大，尤其是又不怎么做有氧訓(xùn)練的情況下，線粒體密度會降低，而且由于肌肉橫斷面面積增大，氧氣擴(kuò)散也會變慢一點(diǎn)，從而導(dǎo)致有氧代謝效率降低［30］。因此，肌纖維隨著自身的增長，會越來越依賴于無氧代謝，產(chǎn)生與無氧代謝更相關(guān)的蛋白質(zhì)，而這些蛋白質(zhì)會將水分帶入細(xì)胞，從而使得肌漿擴(kuò)大。

本研究發(fā)現(xiàn)， CG組實(shí)驗(yàn)對象保持正常生活狀態(tài)，在實(shí)驗(yàn)期間無任何體育鍛煉，其右小腿肌肉電學(xué)特性及右腿細(xì)胞外液體積及身體總含水量與第1周無明顯變化（圖5）。然而，OG組實(shí)驗(yàn)對象在實(shí)驗(yàn)期間每周一、三、五使用NMES 訓(xùn)練右小腿肌肉，其右小腿肌肉M1肌肉隔室空間平均電導(dǎo)率<σ>M1及右腿細(xì)胞外液體積βrl與第1 周相比有相同的增長趨勢，而身體總含水量與第1周無明顯變化（圖6）。綜上所述，連續(xù)5周的EIT測量結(jié)果顯示，NMES 訓(xùn)練引起被刺激肌肉隔室空間平均電導(dǎo)率<σ>M1的增加，且第2 周<σw2>M1增加最為明顯，之后第3、4、5周相較于上一周均有增加但增加幅度明顯小于第2 周，這意味著肌肉纖維體積在第2 周已發(fā)生明顯增加，發(fā)生肌漿肥大現(xiàn)象，之后受試者逐漸適應(yīng)NMES訓(xùn)練，肌肉生理響應(yīng)變慢但仍在持續(xù)增長。因此，EIT能夠作為一種長期監(jiān)測方法有效的評估NMES 訓(xùn)練增加人類小腿肌肉纖維體積的效果。

4 結(jié) 論

通過EIT檢測NMES下人類小腿肌肉的電學(xué)特性變化，被刺激肌肉隔室在重建圖像中很好地被識別，因此EIT方法對于檢測人類小腿肌肉在NMES下收縮所引起的電學(xué)特性及生理響應(yīng)具有令人滿意的結(jié)果。使用配對樣本t檢驗(yàn)方法對小腿M1肌肉隔室連續(xù)5 周測量的空間平均電導(dǎo)率<σ>M1和右腿細(xì)胞外液比例（ECW/TBW）βrl進(jìn)行分析，結(jié)果表明，對照組實(shí)驗(yàn)對象右小腿肌肉電學(xué)特性及右腿細(xì)胞外液體積及身體總含水量與第1 周無明顯變化。與對照組相比，NMES訓(xùn)練組實(shí)驗(yàn)對象連續(xù)5周的EIT測量結(jié)果顯示，NMES訓(xùn)練引起被刺激肌肉隔室空間平均電導(dǎo)率<σ>M1的增加，且第2 周<σw2>M1增加最為明顯，之后第3、4、5周相較于上一周均有增加但幅度明顯小于第2周，這意味著肌肉纖維體積在第2 周已發(fā)生明顯增加，發(fā)生肌漿肥大現(xiàn)象，之后受試者逐漸適應(yīng)NMES 訓(xùn)練，肌肉生理響應(yīng)變慢但仍在持續(xù)增長。本研究提出EIT能夠作為一種長期監(jiān)測方法有效的評估NMES 訓(xùn)練增加人類小腿肌肉纖維體積的效果。