第六节 步态中的肌电研究
表面肌电（SEMG）信号是从皮肤表面通过电极引导记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号，它与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度的关联性，因而能在一定程度上反映神经肌肉系统的活动及其控制。目前有关SEMG信号分析的研究主要围绕“生-电”关系与“力-电”关系两个方面展开的。肌肉活动状态特指肌肉收缩对抗或克服阻力时的生理工作强度，与负荷重量或负荷功率的大小有关，是肌肉功能评价的一个重要方面，也是进一步探讨肌肉功能状态的一个先决条件。
人体工作或运动一段时间后，机体功能暂时下降，会出现疲劳现象。延缓疲劳的发生和加速疲劳的消除，在竞技体育中是困扰广大运动员的一个难题。由于神经肌电活动方式将兴奋传递至肌肉引起肌电变化并伴随肌肉收缩，所以运动时肌肉疲劳出现过程中的肌电活动变化规律及特点，是监测运动性肌肉疲劳和研究疲劳机理必不可少的一种方法。早在1666年法朗漆斯科·瑞迪就发现肌肉能产生电活动，19世纪末就有肌电图用于研究的报道。早期的肌电图分析都采用人工测量，工作量极大，结果也欠准确，因此多数情况下，肌电图仅作定性分析，这大大限制了肌电图的应用。随着科技的进步、技术不断提高，计算机也用于肌电图的定量分析，大大提高了肌电图的准确性和实用性，极大地促进了肌肉电生理的研究和发展，也使其在疲劳特别是运动性肌肉疲劳研究中扮演着越来越重要的角色。
一、肌电评价的重要参数
肌肉运动采集的表面肌电信号是时间序列信号，它是表面引导电极触及多个运动单位活动时所产生的电变化在时间和空间叠加，是由许多运动单位的电活动共同造成的，须经处理才能用来评价疲劳。评价的指标主要有时间域分析(Time Domain)、频率域分析(Frequency Domain)、小波(Wavelet)分析等领域。
（一）积分肌电(IEMG)
积分肌电是指所得肌电信号经整流滤波来求单位时间内曲线下面积的总和，它可反映肌电信号随时间进行的强弱变化，是评价疲劳的重要手段。随运动的进行，开始阶段参与的运动单位开始疲劳，需要募集更多的运动单位参与运动，肌肉放电现象增强，单位时间内的积分肌电值也随之增加。随着运动的进行，运动单位疲劳的产生，参加收缩的运动单位减少，频率下降，表现为积分肌电值降低。这种肌电变化规律是疲劳过程中不同阶段的表现，并不因肌肉的位置或用力方式变化而改变。
（二）平均振幅(MA)
振幅反映肌肉电信号的强度与参与的运动单位数目及放电频率同步化程度有关，迈克·沃格特（Michael Viogt）等认为耐力项目的运动员其牵张反射IEMG的平均振幅大于力量项目的运动员，可用于对耐力素质的评价。均方根振幅RMS用来描述一段时间内肌电的平均变化特征，指此段时间内所有振幅的均方根值。但不能反映肌电信号的细节变化。疲劳时肌电信号的振幅增高，势必引起RMS的增加，可以通过比较不同时期的RMS，确定疲劳发生的时间和疲劳的程度。
（三）频率域分析
频率域分析是指在频率方面评价肌电信号的指标分析，频域信号是将时域信号通过快速傅里叶转换(FFT)得出，在表面肌电信号的检测与分析中具有重要的应用价值。与时域指标对比，频域指标有以下优势：①在肌肉疲劳过程中均呈明显的直线递减型变化，而时域指标的变化则有较大的变异；②频域指标时间序列曲线的斜率不受皮下脂肪厚度和肢体围度的影响，而时域指标则易受影响；③频域指标时间序列曲线的斜率与负荷持续时间明显相关，而时域指标的相关不明显。频域分析主要指标有平均功率频率(MPF)、中值频率(MF&Fm)。
疲劳时，功率谱大多由高频向低频漂移，MF和MPF值也相应下降。一般认为MPF在反映较低负荷收缩时的灵敏度较高，MF在抗噪声干扰方面更具优势。关于IEMG频谱左移的原因目前认为有中枢和外周两方面的机制，中枢机制主要是指大脑皮层及运动神经元疲劳时放电频率的减弱和运动单位兴奋的同步化的降低；外周机制包括：①肌内压升高，使血流受阻，引起肌细胞膜通透性发生变化，导致动作电位传导速度下降；②因快肌运动单位很快疲劳，募集更多的未疲劳的慢肌运动单位参加工作；③局部酸性代谢产物堆积，肌肉运动时产生的细胞外K+或乳酸浓度的增加将直接导致肌膜传导速度的降低。
二、表面肌电图在人体运动研究中的应用
表面肌电图与运动性疲劳存在着重要的关系，伴随着运动性疲劳的发生表面肌电图信号也会发生相应的改变。但是它有时会受到以下因素的影响：运动方式、运动强度、运动性质(静力性、动力性)、肌肉收缩方式(离心收缩、向心收缩)、运动时间、年龄、性别、所选肌肉和受试者自身条件等因素影响。大多数研究结果表明从初始态到疲劳态，IEMG时域值在运动至疲劳过程中的总趋势为上升，反映了参加工作的运动单位的数量；IEMG功率谱向低频转移，低频比重增加，高频比重减少，特征量MPF，FC，HF减少。国内外现在对肌电应用的内容集中在三个方面：等长收缩、向心收缩、离心收缩。
(一)等长收缩
奥里佐（Orizo）等研究了肱二头肌分别在20%，40%，60%和80%MVC负荷下静力工作至力竭的IEMG特点，发现IEMG随时间增加，IEMG值改变率与运动强度无关，IEMG力竭态值是初始态的1.4倍。在静力工作状态下，由初始态到疲劳(或力竭)IEMG的振幅值随疲劳程度的加深而增加，频域值向低频方向转移。基勒姆（Kilhom）等观察了肘屈肌以2500MVC等长收缩从初始态到力竭态IEMG的动态变化，发现IEMG的MA持续不断升高，到力竭时达最高。本达安（Bendahan）等观察到：前臂屈肌以60%MVC静力收缩状态收缩至力竭，IEMG低频段能量不断减少，高频段能量首先持续增加，只是在力竭前下降。
(二)向心收缩
动力性工作疲劳IEMG的变化与静力性工作相比较为复杂，研究结果大多不一致。但大多数学者研究证实：从总趋势看由初始态到疲劳(或力竭)IEMG的振幅值增加，频域值功率谱向低频转移。罗伊（Roy）等观察了4名健康受试者重复抬起、放下重物至疲劳过程中，腰部肌肉IEMG变化，发现中心频率变化呈非线性，在一次抬起和放下重物过程中，呈现出下降—恢复交替出现的几个阶段。在伦肖（Renshaw）等的研究中，受试者分别以25%MVC和70%MVC负荷进行伸膝训练，记录其股四头肌肌电信号，发现中心频率在这两种负荷都显著下降，但下降率以70%MVC负荷时最高；RMS在两种负荷情况下都增加，增加率以25%MVC负荷时最高。但詹森（Jansen）等记录了受试者进行递增踏车至100VO2过程中股外侧肌的肌电信号，发现中心频率随时间而逐渐增加。
(三)离心收缩
克鲁思（Kroon）等比较了以50%和40%MVC为负荷进行等长收缩、离心收缩和向心收缩至力竭的屈肘肌的IEMG改变，发现三种性质工作IEMG，RMS随时间增加，MPF随时间下降，但离心收缩RMS和MPF的改变率比其他两种工作高(P<0.001)。王瑞元等对12名男性大学生(20~22岁)极限负荷下蹲过程中股外侧肌肌电信号的变化进行研究。结果表明，IEMG的值在各阶段随时间增高，在离心阶段低于等长阶段和向心收缩阶段。向心收缩阶段和等长收缩阶段的MPF随工作能力下降而升高，至70%最大工作能力时达到最高值，随工作能力下降而急剧下降，在离心收缩阶段在工作能力下降到最大工作能力4000之前没有明显的变化，基本接近负荷前水平，之后与等长阶段和向心阶段的改变呈一致变化趋势。特施（Tesch）等比较股外侧肌和股直肌分别在离心收缩和向心收缩时的肌电变化，发现IEMG的值在向心收缩时高于离心收缩。