步態(tài)周期不同時(shí)相肌群的表面肌電特征

步態(tài)周期不同時(shí)相肌群的表面肌電特征

0電靜息的發(fā)展作為一種重要的運(yùn)動(dòng)分析手段之一，表面電氣作為一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)，與運(yùn)動(dòng)分析、運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析、能耗評(píng)估、時(shí)間距離參數(shù)評(píng)估等密切相關(guān)。由于具有無創(chuàng)性、整體性、多導(dǎo)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn),因此近年來它不僅被用于基礎(chǔ)科學(xué)的研究,而且廣泛應(yīng)用于臨床。脛前后肌群因?qū)Σ叫兄絮钻P(guān)節(jié)的控制作用極為重要,而在很大程度上決定或影響步態(tài)的特征,所以步行中脛前后肌群的表面肌電歷來是這一領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。國(guó)外多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為,脛骨前肌等脛前肌群在支撐初期肌電活動(dòng)最強(qiáng),表現(xiàn)為第1個(gè)較大的活動(dòng)高峰,對(duì)應(yīng)的表面肌電波幅最大;隨后在支撐中末期活動(dòng)完全消失,相應(yīng)的表面肌電處于電靜息狀態(tài);進(jìn)入擺動(dòng)早期,脛骨前肌活動(dòng)再次輕度增強(qiáng),表現(xiàn)為第2個(gè)較小的活動(dòng)高峰,在擺動(dòng)終末期,活動(dòng)減弱或消失。而對(duì)于腓腸肌等多數(shù)脛后肌群,僅在支撐終末期,有很大的肌電活動(dòng),對(duì)應(yīng)的表面肌電為一個(gè)時(shí)間較長(zhǎng)且波幅很高、較大的梭狀波形;其余階段都未進(jìn)行活動(dòng),相應(yīng)表面肌電為電靜息表現(xiàn),見圖1。Vaughan等在DynamicsofHumanGait書中詳細(xì)討論了正常步態(tài)周期中左右下肢28塊主要肌肉各個(gè)時(shí)相的激活模式,以及不同肌肉之間的關(guān)系。如得到公認(rèn)的踝關(guān)節(jié)背屈肌和跖屈肌的時(shí)相形為正好相反,即當(dāng)脛骨前肌高度激活時(shí),小腿三頭肌卻是處于靜息狀態(tài)。一個(gè)很值得借鑒的是,書中通過總結(jié)很多學(xué)者的研究成果,對(duì)腿部的16塊主要肌肉進(jìn)行因子分析,找出4個(gè)主要因子來解釋步態(tài)周期過程中所有肌電信號(hào)的變化,從而明顯減少了研究者們的工作量,即可以用4塊肌肉來代替原來的16塊肌肉,描述整個(gè)步態(tài)周期中腿部肌肉的激活模式。其中脛骨前肌作為后跟著地因子,而小腿三頭肌作為推進(jìn)因子,見圖2。本文通過德國(guó)zebrisFDM步態(tài)分析測(cè)試系統(tǒng)(6m板)采集下肢前后肌群的表面肌電信號(hào),探討其在整個(gè)步態(tài)周期的峰值特點(diǎn),并與Vaughan等的結(jié)論進(jìn)行比較;另外,采用芬蘭ME6000表面肌電測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行15m自由行走的表面肌電信號(hào)采集,分析正常人自然步態(tài)下左右側(cè)下肢前后肌群的表面肌電信號(hào)特征參數(shù)。為了避免噪聲對(duì)結(jié)果的影響,本文對(duì)于采集的原始肌電信號(hào)均進(jìn)行消噪處理。消噪方法采用基于小波閾值的消噪方法。1肌肉樣品的采集設(shè)計(jì):提取信號(hào)特征值,對(duì)比觀察實(shí)驗(yàn)。時(shí)間及地點(diǎn):于2009-10/12在廣州體育學(xué)院步態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室完成。對(duì)象:7名健康受試者,男4名,女3名,年齡(22.0±4.5)歲,體質(zhì)量(65.2±5.6)kg,身高(172±6.8)cm,均為右利手。所有受試者均自愿參加此測(cè)試,受試前24h內(nèi)未作劇烈運(yùn)動(dòng),以排除過度運(yùn)動(dòng)殘余疲勞的影響。儀器:德國(guó)zebrisFDM步態(tài)分析壓力板及其配套的肌電測(cè)試儀(zebrisDAB),芬蘭MEGA公司生產(chǎn)的表面肌電圖儀,北京市天潤(rùn)偉業(yè)醫(yī)用設(shè)備廠生產(chǎn)的Ag/Agcl心電電極。方法:電極安放:本文采用的是差動(dòng)電極連接法,表面肌電圖電極置于每組采樣肌的肌腹處,兩記錄電極的中心連線方向與采樣肌肉纖維的長(zhǎng)軸方向平行,兩電極中心間距為2cm,地電極差放在附近的骨性標(biāo)志位。找準(zhǔn)要貼電極的位置后,進(jìn)行區(qū)域刮毛,砂片打磨,乙醇消毒清潔皮膚,使得電極間阻抗降低(小于10kΩ),然后粘貼好電極,理順電極的線圈,透明膠布固定好線圈及導(dǎo)聯(lián)線。實(shí)驗(yàn)方法:受試者暴露雙下肢脛骨前肌和腓腸肌外側(cè),室溫25℃左右。電極定位,皮膚處理。測(cè)試4塊肌肉:左右脛骨前肌、左右腓腸肌外側(cè)。首先做同步實(shí)驗(yàn),受試者佩帶zebrisDBA通過紅外與zebrisFDM地板同步信號(hào)顯示。此同步肌電儀只有兩通道,選取左側(cè)的脛骨前肌和腓腸肌外側(cè),每個(gè)人在上板之前先預(yù)走幾遍,以適應(yīng)壓力板的自然行走,見圖3;然后,利用Mega肌電儀的4通道同時(shí)測(cè)試左右脛骨前肌和左右腓腸肌外側(cè)進(jìn)行自由行走15m測(cè)試,測(cè)試者同速伴行,每個(gè)人測(cè)三四次,取最好的測(cè)試結(jié)果。測(cè)量?jī)x的端口數(shù)設(shè)為4,記錄方式為連續(xù),信號(hào)采集率為1000Hz。數(shù)據(jù)處理方法:從步態(tài)分析測(cè)試系統(tǒng)zebrisFDM導(dǎo)出7個(gè)人的原始數(shù)據(jù),采用小波閾值的方法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行消噪,導(dǎo)入matlab7.0軟件進(jìn)行歸一化,得到一個(gè)完步態(tài)周期過程中左腿的脛骨前肌和腓腸肌外側(cè)的主要信號(hào)特征;將ME6000表面肌電測(cè)試系統(tǒng)記錄的表面肌電原始波形消噪后,用Megawin軟件,進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和快速傅立葉轉(zhuǎn)換,計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)。主要觀察指標(biāo):跨步周期、跨步長(zhǎng)、步速、步頻、步態(tài)周期及肌電信號(hào)變化。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析:由第一作者利用SPSS13.0軟件對(duì)兩組受試肌表面肌電各參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行左右側(cè)配對(duì)資料的t檢驗(yàn),顯著性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為P<0.05,并做出積分肌電值、均方根值收縮負(fù)荷比的復(fù)合式條形圖。2結(jié)果2.1參與者的數(shù)量分析按意向性處理分析,納入7例觀察對(duì)象,7名的采集結(jié)果全部進(jìn)入結(jié)果分析,無脫落。2.3鞋內(nèi)鞋表面肌電從圖4,5可以看出,其峰值圖與圖2的峰值位置近似,這表明脛骨前肌表面肌電的峰值發(fā)生在一個(gè)完整步態(tài)周期的開始處,即后跟著地處,而腓腸肌外側(cè)其峰值發(fā)生在中后支撐相處。2.4材料的相關(guān)分析其中,1名男性及1名女性受試者的雙側(cè)脛前肌、腓腸肌外側(cè)表面肌電的原始圖形分別見圖6,7所示。圖6,7顯示,2名受試者雙側(cè)脛前后肌群的表面肌電信號(hào),隨步態(tài)周期呈周期性變化,其中腓腸肌外側(cè)有較大的梭狀波形;脛前肌有強(qiáng)弱交替的比較連續(xù)的表面肌電信號(hào)特征。由于導(dǎo)線時(shí)間上的信號(hào)延遲,所以,每組前面均有一兩秒的時(shí)間延遲。所以統(tǒng)一將前面時(shí)間延遲的部分剪切掉,然后取1.024s時(shí)寬的“單一頻譜”窗口的參數(shù)值,連續(xù)取10次參數(shù)值,然后取平均值。此2名受試者見圖6,7,男性右側(cè)脛骨前肌在靜息狀態(tài)有部分干擾,女性的右側(cè)脛骨前肌波形不連續(xù),信號(hào)有中斷現(xiàn)象,故2人的脛骨前肌導(dǎo)聯(lián)結(jié)果均排除。其余5名受試者的相關(guān)指標(biāo)見表2~5。表2,3顯示,5名健康受試者的雙側(cè)脛前肌表面肌電各參數(shù)差異顯著,均為優(yōu)勢(shì)側(cè)(右側(cè))的均值大于非優(yōu)勢(shì)側(cè)(左側(cè))。而7名青年健康受試者的雙側(cè)腓腸肌外側(cè)的頻域指標(biāo)中位頻率、平均功率頻率為非優(yōu)勢(shì)側(cè)的均值大于優(yōu)勢(shì)側(cè),但平均肌電值卻相差不大。再進(jìn)一步分析5名受試者自由步行全程15m的原始肌電圖形,積分肌電值、均方根值窗口內(nèi)平均時(shí)寬約9.8s的收縮負(fù)荷比(work-loading),結(jié)果見表4,5。表4所示,總體看來,對(duì)于積分肌電值或均方根值,5名健康受試者脛前肌的收縮負(fù)荷均值及平均百分比,基本都較腓腸肌外側(cè)大。雙側(cè)脛骨前肌或腓腸肌外側(cè)的積分肌電值、均方根值收縮負(fù)荷的平均百分比非常接近,對(duì)于脛骨前肌其右側(cè)相對(duì)左側(cè)略小,且均值也小于左側(cè),而腓腸肌外側(cè)卻正好相反,左側(cè)的均值和收縮負(fù)荷比都略小于右側(cè);從表5看出,5名健康受試者非優(yōu)勢(shì)側(cè)(左側(cè))均方根值的收縮負(fù)荷比,略小于優(yōu)勢(shì)側(cè)(左側(cè)),與表2,3中平均肌電值的結(jié)果一致。3引導(dǎo)因子實(shí)驗(yàn)在一個(gè)步態(tài)周期中,每一側(cè)下肢都要經(jīng)歷一個(gè)與地面接觸并負(fù)重的支撐相及離地騰空向前挪動(dòng)的擺動(dòng)相。而在不同時(shí)相的不同時(shí)期,下肢肌肉起著不同的作用。本文對(duì)Vaughan等提出的主成份因子分析得出的4個(gè)主因子的前兩個(gè)因子做了償試性驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果一表明了,對(duì)于下肢脛前后肌群,脛前肌的肌電信號(hào)在步態(tài)周期的開始,即腳跟著地后的短暫過程達(dá)到最大峰值,被稱作為后跟著地因子;腓腸肌外側(cè)的肌電信號(hào)在步態(tài)周期支撐相的中末期達(dá)到最大峰值,被稱為推進(jìn)因子。該實(shí)驗(yàn)在誤差充許的范圍內(nèi),償試性的驗(yàn)證了Vaughan等的結(jié)果,從而表明在進(jìn)行步態(tài)中肌電信號(hào)的分析過程中,就可以顯著減輕研究的負(fù)擔(dān),將下肢28塊主要肌群濃縮為4塊就可以得出規(guī)律性的結(jié)論。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果中受試者步行的表面肌電原始圖形可以看出,正常步態(tài)周期中,腓腸肌與脛前肌呈規(guī)律性地變化。腓腸肌對(duì)于人步行與站立雖起重要作用,但它歷來被認(rèn)為,僅在足跟離地至足趾離地的蹬離期有一明顯的活動(dòng),以便將人體重心推向前上,進(jìn)入擺動(dòng)期后,即處于較長(zhǎng)的靜息狀態(tài)。脛骨前肌在整個(gè)步態(tài)周期中,近乎呈持續(xù)活動(dòng)狀態(tài)。在支撐初期,脛骨前肌的肌電活最活躍,因它要保持足背伸使足跟先著地,故為脛骨前的第一個(gè)活動(dòng)高峰。在支撐期中末部分,脛骨前肌雖亦有少量的活動(dòng),與脛后肌群協(xié)同作用使足在內(nèi)、外方向上穩(wěn)定,但肌電信號(hào)逐漸減弱,隨后在擺動(dòng)期,脛骨前肌進(jìn)入第2個(gè)相對(duì)較小的活動(dòng)高峰,以使足趾提離地面。脛骨前肌因在整個(gè)步態(tài)周期中的肌電活動(dòng)比腓腸肌更為頻繁,持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng),故提示脛骨前肌較腓腸肌更易發(fā)生疲勞[17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27]。2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化和提高肌肉相對(duì)穩(wěn)定性的過程7名受試者正常步態(tài)的主要運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)結(jié)果見表1。同步測(cè)試的左側(cè)脛骨前肌和腓腸肌外側(cè)表面肌電信號(hào)經(jīng)消噪后的圖形見圖4,5。5名健康受試者脛前肌的收縮負(fù)荷均值及平均百分比,基本都較腓腸肌外側(cè)大,還可能與肌肉組織中的快肌纖維和慢肌纖維的組成比例不同,即快肌纖維興奮主要表現(xiàn)高頻放電,慢肌纖維則以低頻電位活動(dòng)為主,在同樣的時(shí)間里,產(chǎn)生的負(fù)荷要大。本文還發(fā)現(xiàn)不同的7名青年健康受試者15m自由步行過程中,運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)較為接近,都在正常范圍。7人15m步行的平均步速為1.37m/s,當(dāng)正常人以自然的速度行走時(shí),效率最高,單位距離能耗最少。步行時(shí)身體前移的功,實(shí)際上由重力及慣性提供而不是由肌肉收縮提供,此時(shí)下肢自然擺動(dòng)周期達(dá)到最佳狀態(tài),下肢肌電活動(dòng)也最少。5人15m自由步行脛骨前肌的表面肌電各參數(shù)基本表現(xiàn)為優(yōu)勢(shì)側(cè)(右側(cè))的均值大于非優(yōu)勢(shì)側(cè)(左側(cè)),說明正常人自然步行時(shí)雙下肢肌電活動(dòng),存在優(yōu)勢(shì)側(cè)與非優(yōu)勢(shì)側(cè)的差異,考慮到優(yōu)勢(shì)側(cè)相對(duì)非優(yōu)勢(shì)側(cè)肌群的肌力大,而且外周運(yùn)動(dòng)單位的傳導(dǎo)速度較非優(yōu)勢(shì)側(cè)快,因此在一定的時(shí)間內(nèi),其時(shí)頻域參數(shù)值要比非優(yōu)勢(shì)側(cè)大。但總體來看,兩側(cè)肌電的收縮負(fù)荷比相差并不大。而對(duì)于腓腸肌外側(cè)頭中位頻率、平均功率頻率、過零率卻表現(xiàn)優(yōu)勢(shì)側(cè)(右側(cè))小于非優(yōu)勢(shì)側(cè)(左側(cè)),考慮到腓腸肌外側(cè)整體肌力就較小,其非優(yōu)勢(shì)側(cè)在15m行走過程中就會(huì)達(dá)到疲勞,因此只有通過幕集更多的運(yùn)動(dòng)單元,才可完成幾乎同樣功耗的步行活動(dòng)。這表明不同肌肉在步行過程中,其優(yōu)勢(shì)側(cè)與非優(yōu)勢(shì)側(cè)偏向是不一樣的。所查文獻(xiàn)中,對(duì)步態(tài)過程中下肢肌群進(jìn)行類似研究的很少。李青青得出的結(jié)論是脛骨前肌的表面肌電各參數(shù)優(yōu)勢(shì)側(cè)(右側(cè))大于非優(yōu)勢(shì)側(cè)(左側(cè)),本文研究的結(jié)果正好與之相反,原因可能與受試對(duì)象的日?；顒?dòng)有關(guān),即平時(shí)愛運(yùn)動(dòng)與不愛運(yùn)動(dòng),其腿部肌力是不一樣的。在15m行走過程中,脛骨前肌的肌肉還沒有產(chǎn)生疲勞,所以非優(yōu)勢(shì)側(cè)不用摹集更多的運(yùn)動(dòng)單元。而李青青研究的腓腸肌內(nèi)側(cè)頭是非優(yōu)勢(shì)側(cè)大于優(yōu)勢(shì)側(cè),本文的腓腸肌外側(cè)頭與之有類似的結(jié)論,但在均方根值和積分肌電值的收縮負(fù)荷比表現(xiàn)的是右側(cè)略大于左側(cè),不過總體差異不大。可見,人在自然行走過程中,下肢前后肌群優(yōu)勢(shì)側(cè)與非優(yōu)勢(shì)側(cè)的募集情況還與肌肉力量有關(guān)。綜上所述,在人體步行過程中,對(duì)于選取的