步態(tài)周期不同時相肌群的表面肌電特征

步態(tài)周期不同時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動分析手段之一，表面電氣作為一個完整的運動分析系統(tǒng)，與運動分析、運動力學分析、能耗評估、時間距離參數評估等密切相關。由于具有無創(chuàng)性、整體性、多導測量等優(yōu)點,因此近年來它不僅被用于基礎科學的研究,而且廣泛應用于臨床。脛前后肌群因對步行中踝關節(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域研究的熱點之一。國外多數觀點認為,脛骨前肌等脛前肌群在支撐初期肌電活動最強,表現為第1個較大的活動高峰,對應的表面肌電波幅最大;隨后在支撐中末期活動完全消失,相應的表面肌電處于電靜息狀態(tài);進入擺動早期,脛骨前肌活動再次輕度增強,表現為第2個較小的活動高峰,在擺動終末期,活動減弱或消失。而對于腓腸肌等多數脛后肌群,僅在支撐終末期,有很大的肌電活動,對應的表面肌電為一個時間較長且波幅很高、較大的梭狀波形;其余階段都未進行活動,相應表面肌電為電靜息表現,見圖1。Vaughan等在DynamicsofHumanGait書中詳細討論了正常步態(tài)周期中左右下肢28塊主要肌肉各個時相的激活模式,以及不同肌肉之間的關系。如得到公認的踝關節(jié)背屈肌和跖屈肌的時相形為正好相反,即當脛骨前肌高度激活時,小腿三頭肌卻是處于靜息狀態(tài)。一個很值得借鑒的是,書中通過總結很多學者的研究成果,對腿部的16塊主要肌肉進行因子分析,找出4個主要因子來解釋步態(tài)周期過程中所有肌電信號的變化,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因子,見圖2。本文通過德國zebrisFDM步態(tài)分析測試系統(tǒng)(6m板)采集下肢前后肌群的表面肌電信號,探討其在整個步態(tài)周期的峰值特點,并與Vaughan等的結論進行比較;另外,采用芬蘭ME6000表面肌電測試系統(tǒng)進行15m自由行走的表面肌電信號采集,分析正常人自然步態(tài)下左右側下肢前后肌群的表面肌電信號特征參數。為了避免噪聲對結果的影響,本文對于采集的原始肌電信號均進行消噪處理。消噪方法采用基于小波閾值的消噪方法。1肌肉樣品的采集設計:提取信號特征值,對比觀察實驗。時間及地點:于2009-10/12在廣州體育學院步態(tài)測試實驗室完成。對象:7名健康受試者,男4名,女3名,年齡(22.0±4.5)歲,體質量(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試,受試前24h內未作劇烈運動,以排除過度運動殘余疲勞的影響。儀器:德國zebrisFDM步態(tài)分析壓力板及其配套的肌電測試儀(zebrisDAB),芬蘭MEGA公司生產的表面肌電圖儀,北京市天潤偉業(yè)醫(yī)用設備廠生產的Ag/Agcl心電電極。方法:電極安放:本文采用的是差動電極連接法,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志位。找準要貼電極的位置后,進行區(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聯線。實驗方法:受試者暴露雙下肢脛骨前肌和腓腸肌外側,室溫25℃左右。電極定位,皮膚處理。測試4塊肌肉:左右脛骨前肌、左右腓腸肌外側。首先做同步實驗,受試者佩帶zebrisDBA通過紅外與zebrisFDM地板同步信號顯示。此同步肌電儀只有兩通道,選取左側的脛骨前肌和腓腸肌外側,每個人在上板之前先預走幾遍,以適應壓力板的自然行走,見圖3;然后,利用Mega肌電儀的4通道同時測試左右脛骨前肌和左右腓腸肌外側進行自由行走15m測試,測試者同速伴行,每個人測三四次,取最好的測試結果。測量儀的端口數設為4,記錄方式為連續(xù),信號采集率為1000Hz。數據處理方法:從步態(tài)分析測試系統(tǒng)zebrisFDM導出7個人的原始數據,采用小波閾值的方法對原始信號進行消噪,導入matlab7.0軟件進行歸一化,得到一個完步態(tài)周期過程中左腿的脛骨前肌和腓腸肌外側的主要信號特征;將ME6000表面肌電測試系統(tǒng)記錄的表面肌電原始波形消噪后,用Megawin軟件,進行模數轉換和快速傅立葉轉換,計算各項參數。主要觀察指標:跨步周期、跨步長、步速、步頻、步態(tài)周期及肌電信號變化。統(tǒng)計學分析:由第一作者利用SPSS13.0軟件對兩組受試肌表面肌電各參數的實驗結果進行左右側配對資料的t檢驗,顯著性檢驗標準為P<0.05,并做出積分肌電值、均方根值收縮負荷比的復合式條形圖。2結果2.1參與者的數量分析按意向性處理分析,納入7例觀察對象,7名的采集結果全部進入結果分析,無脫落。2.3鞋內鞋表面肌電從圖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)生在一個完整步態(tài)周期的開始處,即后跟著地處,而腓腸肌外側其峰值發(fā)生在中后支撐相處。2.4材料的相關分析其中,1名男性及1名女性受試者的雙側脛前肌、腓腸肌外側表面肌電的原始圖形分別見圖6,7所示。圖6,7顯示,2名受試者雙側脛前后肌群的表面肌電信號,隨步態(tài)周期呈周期性變化,其中腓腸肌外側有較大的梭狀波形;脛前肌有強弱交替的比較連續(xù)的表面肌電信號特征。由于導線時間上的信號延遲,所以,每組前面均有一兩秒的時間延遲。所以統(tǒng)一將前面時間延遲的部分剪切掉,然后取1.024s時寬的“單一頻譜”窗口的參數值,連續(xù)取10次參數值,然后取平均值。此2名受試者見圖6,7,男性右側脛骨前肌在靜息狀態(tài)有部分干擾,女性的右側脛骨前肌波形不連續(xù),信號有中斷現象,故2人的脛骨前肌導聯結果均排除。其余5名受試者的相關指標見表2~5。表2,3顯示,5名健康受試者的雙側脛前肌表面肌電各參數差異顯著,均為優(yōu)勢側(右側)的均值大于非優(yōu)勢側(左側)。而7名青年健康受試者的雙側腓腸肌外側的頻域指標中位頻率、平均功率頻率為非優(yōu)勢側的均值大于優(yōu)勢側,但平均肌電值卻相差不大。再進一步分析5名受試者自由步行全程15m的原始肌電圖形,積分肌電值、均方根值窗口內平均時寬約9.8s的收縮負荷比(work-loading),結果見表4,5。表4所示,總體看來,對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荷均值及平均百分比,基本都較腓腸肌外側大。雙側脛骨前肌或腓腸肌外側的積分肌電值、均方根值收縮負荷的平均百分比非常接近,對于脛骨前肌其右側相對左側略小,且均值也小于左側,而腓腸肌外側卻正好相反,左側的均值和收縮負荷比都略小于右側;從表5看出,5名健康受試者非優(yōu)勢側(左側)均方根值的收縮負荷比,略小于優(yōu)勢側(左側),與表2,3中平均肌電值的結果一致。3引導因子實驗在一個步態(tài)周期中,每一側下肢都要經歷一個與地面接觸并負重的支撐相及離地騰空向前挪動的擺動相。而在不同時相的不同時期,下肢肌肉起著不同的作用。本文對Vaughan等提出的主成份因子分析得出的4個主因子的前兩個因子做了償試性驗證。實驗結果一表明了,對于下肢脛前后肌群,脛前肌的肌電信號在步態(tài)周期的開始,即腳跟著地后的短暫過程達到最大峰值,被稱作為后跟著地因子;腓腸肌外側的肌電信號在步態(tài)周期支撐相的中末期達到最大峰值,被稱為推進因子。該實驗在誤差充許的范圍內,償試性的驗證了Vaughan等的結果,從而表明在進行步態(tài)中肌電信號的分析過程中,就可以顯著減輕研究的負擔,將下肢28塊主要肌群濃縮為4塊就可以得出規(guī)律性的結論。由實驗結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。腓腸肌對于人步行與站立雖起重要作用,但它歷來被認為,僅在足跟離地至足趾離地的蹬離期有一明顯的活動,以便將人體重心推向前上,進入擺動期后,即處于較長的靜息狀態(tài)。脛骨前肌在整個步態(tài)周期中,近乎呈持續(xù)活動狀態(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活動高峰。在支撐期中末部分,脛骨前肌雖亦有少量的活動,與脛后肌群協(xié)同作用使足在內、外方向上穩(wěn)定,但肌電信號逐漸減弱,隨后在擺動期,脛骨前肌進入第2個相對較小的活動高峰,以使足趾提離地面。脛骨前肌因在整個步態(tài)周期中的肌電活動比腓腸肌更為頻繁,持續(xù)時間更長,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結構優(yōu)化和提高肌肉相對穩(wěn)定性的過程7名受試者正常步態(tài)的主要運動學參數結果見表1。同步測試的左側脛骨前肌和腓腸肌外側表面肌電信號經消噪后的圖形見圖4,5。5名健康受試者脛前肌的收縮負荷均值及平均百分比,基本都較腓腸肌外側大,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高頻放電,慢肌纖維則以低頻電位活動為主,在同樣的時間里,產生的負荷要大。本文還發(fā)現不同的7名青年健康受試者15m自由步行過程中,運動學參數較為接近,都在正常范圍。7人15m步行的平均步速為1.37m/s,當正常人以自然的速度行走時,效率最高,單位距離能耗最少。步行時身體前移的功,實際上由重力及慣性提供而不是由肌肉收縮提供,此時下肢自然擺動周期達到最佳狀態(tài),下肢肌電活動也最少。5人15m自由步行脛骨前肌的表面肌電各參數基本表現為優(yōu)勢側(右側)的均值大于非優(yōu)勢側(左側),說明正常人自然步行時雙下肢肌電活動,存在優(yōu)勢側與非優(yōu)勢側的差異,考慮到優(yōu)勢側相對非優(yōu)勢側肌群的肌力大,而且外周運動單位的傳導速度較非優(yōu)勢側快,因此在一定的時間內,其時頻域參數值要比非優(yōu)勢側大。但總體來看,兩側肌電的收縮負荷比相差并不大。而對于腓腸肌外側頭中位頻率、平均功率頻率、過零率卻表現優(yōu)勢側(右側)小于非優(yōu)勢側(左側),考慮到腓腸肌外側整體肌力就較小,其非優(yōu)勢側在15m行走過程中就會達到疲勞,因此只有通過幕集更多的運動單元,才可完成幾乎同樣功耗的步行活動。這表明不同肌肉在步行過程中,其優(yōu)勢側與非優(yōu)勢側偏向是不一樣的。所查文獻中,對步態(tài)過程中下肢肌群進行類似研究的很少。李青青得出的結論是脛骨前肌的表面肌電各參數優(yōu)勢側(右側)大于非優(yōu)勢側(左側),本文研究的結果正好與之相反,原因可能與受試對象的日?；顒佑嘘P,即平時愛運動與不愛運動,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生疲勞,所以非優(yōu)勢側不用摹集更多的運動單元。而李青青研究的腓腸肌內側頭是非優(yōu)勢側大于優(yōu)勢側,本文的腓腸肌外側頭與之有類似的結論,但在均方根值和積分肌電值的收縮負荷比表現的是右側略大于左側,不過總體差異不大?？梢?人在自然行走過程中,下肢前后肌群優(yōu)勢側與非優(yōu)勢側的募集情況還與肌肉力量有關。綜上所述,在人體步行過程中,對于選取的