步态周期不同时相肌群的表面肌电特征

步态周期不同时相肌群的表面肌电特征

0电静息的发展作为一种重要的运动分析手段之一，表面电气作为一个完整的运动分析系统，与运动分析、运动力学分析、能耗评估、时间距离参数评估等密切相关。由于具有无创性、整体性、多导测量等优点,因此近年来它不仅被用于基础科学的研究,而且广泛应用于临床。胫前后肌群因对步行中踝关节的控制作用极为重要,而在很大程度上决定或影响步态的特征,所以步行中胫前后肌群的表面肌电历来是这一领域研究的热点之一。国外多数观点认为,胫骨前肌等胫前肌群在支撑初期肌电活动最强,表现为第1个较大的活动高峰,对应的表面肌电波幅最大;随后在支撑中末期活动完全消失,相应的表面肌电处于电静息状态;进入摆动早期,胫骨前肌活动再次轻度增强,表现为第2个较小的活动高峰,在摆动终末期,活动减弱或消失。而对于腓肠肌等多数胫后肌群,仅在支撑终末期,有很大的肌电活动,对应的表面肌电为一个时间较长且波幅很高、较大的梭状波形;其余阶段都未进行活动,相应表面肌电为电静息表现,见图1。Vaughan等在DynamicsofHumanGait书中详细讨论了正常步态周期中左右下肢28块主要肌肉各个时相的激活模式,以及不同肌肉之间的关系。如得到公认的踝关节背屈肌和跖屈肌的时相形为正好相反,即当胫骨前肌高度激活时,小腿三头肌却是处于静息状态。一个很值得借鉴的是,书中通过总结很多学者的研究成果,对腿部的16块主要肌肉进行因子分析,找出4个主要因子来解释步态周期过程中所有肌电信号的变化,从而明显减少了研究者们的工作量,即可以用4块肌肉来代替原来的16块肌肉,描述整个步态周期中腿部肌肉的激活模式。其中胫骨前肌作为后跟着地因子,而小腿三头肌作为推进因子,见图2。本文通过德国zebrisFDM步态分析测试系统(6m板)采集下肢前后肌群的表面肌电信号,探讨其在整个步态周期的峰值特点,并与Vaughan等的结论进行比较;另外,采用芬兰ME6000表面肌电测试系统进行15m自由行走的表面肌电信号采集,分析正常人自然步态下左右侧下肢前后肌群的表面肌电信号特征参数。为了避免噪声对结果的影响,本文对于采集的原始肌电信号均进行消噪处理。消噪方法采用基于小波阈值的消噪方法。1肌肉样品的采集设计:提取信号特征值,对比观察实验。时间及地点:于2009-10/12在广州体育学院步态测试实验室完成。对象:7名健康受试者,男4名,女3名,年龄(22.0±4.5)岁,体质量(65.2±5.6)kg,身高(172±6.8)cm,均为右利手。所有受试者均自愿参加此测试,受试前24h内未作剧烈运动,以排除过度运动残余疲劳的影响。仪器:德国zebrisFDM步态分析压力板及其配套的肌电测试仪(zebrisDAB),芬兰MEGA公司生产的表面肌电图仪,北京市天润伟业医用设备厂生产的Ag/Agcl心电电极。方法:电极安放:本文采用的是差动电极连接法,表面肌电图电极置于每组采样肌的肌腹处,两记录电极的中心连线方向与采样肌肉纤维的长轴方向平行,两电极中心间距为2cm,地电极差放在附近的骨性标志位。找准要贴电极的位置后,进行区域刮毛,砂片打磨,乙醇消毒清洁皮肤,使得电极间阻抗降低(小于10kΩ),然后粘贴好电极,理顺电极的线圈,透明胶布固定好线圈及导联线。实验方法:受试者暴露双下肢胫骨前肌和腓肠肌外侧,室温25℃左右。电极定位,皮肤处理。测试4块肌肉:左右胫骨前肌、左右腓肠肌外侧。首先做同步实验,受试者佩带zebrisDBA通过红外与zebrisFDM地板同步信号显示。此同步肌电仪只有两通道,选取左侧的胫骨前肌和腓肠肌外侧,每个人在上板之前先预走几遍,以适应压力板的自然行走,见图3;然后,利用Mega肌电仪的4通道同时测试左右胫骨前肌和左右腓肠肌外侧进行自由行走15m测试,测试者同速伴行,每个人测三四次,取最好的测试结果。测量仪的端口数设为4,记录方式为连续,信号采集率为1000Hz。数据处理方法:从步态分析测试系统zebrisFDM导出7个人的原始数据,采用小波阈值的方法对原始信号进行消噪,导入matlab7.0软件进行归一化,得到一个完步态周期过程中左腿的胫骨前肌和腓肠肌外侧的主要信号特征;将ME6000表面肌电测试系统记录的表面肌电原始波形消噪后,用Megawin软件,进行模数转换和快速傅立叶转换,计算各项参数。主要观察指标:跨步周期、跨步长、步速、步频、步态周期及肌电信号变化。统计学分析:由第一作者利用SPSS13.0软件对两组受试肌表面肌电各参数的实验结果进行左右侧配对资料的t检验,显著性检验标准为P<0.05,并做出积分肌电值、均方根值收缩负荷比的复合式条形图。2结果2.1参与者的数量分析按意向性处理分析,纳入7例观察对象,7名的采集结果全部进入结果分析,无脱落。2.3鞋内鞋表面肌电从图4,5可以看出,其峰值图与图2的峰值位置近似,这表明胫骨前肌表面肌电的峰值发生在一个完整步态周期的开始处,即后跟着地处,而腓肠肌外侧其峰值发生在中后支撑相处。2.4材料的相关分析其中,1名男性及1名女性受试者的双侧胫前肌、腓肠肌外侧表面肌电的原始图形分别见图6,7所示。图6,7显示,2名受试者双侧胫前后肌群的表面肌电信号,随步态周期呈周期性变化,其中腓肠肌外侧有较大的梭状波形;胫前肌有强弱交替的比较连续的表面肌电信号特征。由于导线时间上的信号延迟,所以,每组前面均有一两秒的时间延迟。所以统一将前面时间延迟的部分剪切掉,然后取1.024s时宽的“单一频谱”窗口的参数值,连续取10次参数值,然后取平均值。此2名受试者见图6,7,男性右侧胫骨前肌在静息状态有部分干扰,女性的右侧胫骨前肌波形不连续,信号有中断现象,故2人的胫骨前肌导联结果均排除。其余5名受试者的相关指标见表2~5。表2,3显示,5名健康受试者的双侧胫前肌表面肌电各参数差异显著,均为优势侧(右侧)的均值大于非优势侧(左侧)。而7名青年健康受试者的双侧腓肠肌外侧的频域指标中位频率、平均功率频率为非优势侧的均值大于优势侧,但平均肌电值却相差不大。再进一步分析5名受试者自由步行全程15m的原始肌电图形,积分肌电值、均方根值窗口内平均时宽约9.8s的收缩负荷比(work-loading),结果见表4,5。表4所示,总体看来,对于积分肌电值或均方根值,5名健康受试者胫前肌的收缩负荷均值及平均百分比,基本都较腓肠肌外侧大。双侧胫骨前肌或腓肠肌外侧的积分肌电值、均方根值收缩负荷的平均百分比非常接近,对于胫骨前肌其右侧相对左侧略小,且均值也小于左侧,而腓肠肌外侧却正好相反,左侧的均值和收缩负荷比都略小于右侧;从表5看出,5名健康受试者非优势侧(左侧)均方根值的收缩负荷比,略小于优势侧(左侧),与表2,3中平均肌电值的结果一致。3引导因子实验在一个步态周期中,每一侧下肢都要经历一个与地面接触并负重的支撑相及离地腾空向前挪动的摆动相。而在不同时相的不同时期,下肢肌肉起着不同的作用。本文对Vaughan等提出的主成份因子分析得出的4个主因子的前两个因子做了偿试性验证。实验结果一表明了,对于下肢胫前后肌群,胫前肌的肌电信号在步态周期的开始,即脚跟着地后的短暂过程达到最大峰值,被称作为后跟着地因子;腓肠肌外侧的肌电信号在步态周期支撑相的中末期达到最大峰值,被称为推进因子。该实验在误差充许的范围内,偿试性的验证了Vaughan等的结果,从而表明在进行步态中肌电信号的分析过程中,就可以显著减轻研究的负担,将下肢28块主要肌群浓缩为4块就可以得出规律性的结论。由实验结果中受试者步行的表面肌电原始图形可以看出,正常步态周期中,腓肠肌与胫前肌呈规律性地变化。腓肠肌对于人步行与站立虽起重要作用,但它历来被认为,仅在足跟离地至足趾离地的蹬离期有一明显的活动,以便将人体重心推向前上,进入摆动期后,即处于较长的静息状态。胫骨前肌在整个步态周期中,近乎呈持续活动状态。在支撑初期,胫骨前肌的肌电活最活跃,因它要保持足背伸使足跟先着地,故为胫骨前的第一个活动高峰。在支撑期中末部分,胫骨前肌虽亦有少量的活动,与胫后肌群协同作用使足在内、外方向上稳定,但肌电信号逐渐减弱,随后在摆动期,胫骨前肌进入第2个相对较小的活动高峰,以使足趾提离地面。胫骨前肌因在整个步态周期中的肌电活动比腓肠肌更为频繁,持续时间更长,故提示胫骨前肌较腓肠肌更易发生疲劳[17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27]。2.2结构优化和提高肌肉相对稳定性的过程7名受试者正常步态的主要运动学参数结果见表1。同步测试的左侧胫骨前肌和腓肠肌外侧表面肌电信号经消噪后的图形见图4,5。5名健康受试者胫前肌的收缩负荷均值及平均百分比,基本都较腓肠肌外侧大,还可能与肌肉组织中的快肌纤维和慢肌纤维的组成比例不同,即快肌纤维兴奋主要表现高频放电,慢肌纤维则以低频电位活动为主,在同样的时间里,产生的负荷要大。本文还发现不同的7名青年健康受试者15m自由步行过程中,运动学参数较为接近,都在正常范围。7人15m步行的平均步速为1.37m/s,当正常人以自然的速度行走时,效率最高,单位距离能耗最少。步行时身体前移的功,实际上由重力及惯性提供而不是由肌肉收缩提供,此时下肢自然摆动周期达到最佳状态,下肢肌电活动也最少。5人15m自由步行胫骨前肌的表面肌电各参数基本表现为优势侧(右侧)的均值大于非优势侧(左侧),说明正常人自然步行时双下肢肌电活动,存在优势侧与非优势侧的差异,考虑到优势侧相对非优势侧肌群的肌力大,而且外周运动单位的传导速度较非优势侧快,因此在一定的时间内,其时频域参数值要比非优势侧大。但总体来看,两侧肌电的收缩负荷比相差并不大。而对于腓肠肌外侧头中位频率、平均功率频率、过零率却表现优势侧(右侧)小于非优势侧(左侧),考虑到腓肠肌外侧整体肌力就较小,其非优势侧在15m行走过程中就会达到疲劳,因此只有通过幕集更多的运动单元,才可完成几乎同样功耗的步行活动。这表明不同肌肉在步行过程中,其优势侧与非优势侧偏向是不一样的。所查文献中,对步态过程中下肢肌群进行类似研究的很少。李青青得出的结论是胫骨前肌的表面肌电各参数优势侧(右侧)大于非优势侧(左侧),本文研究的结果正好与之相反,原因可能与受试对象的日常活动有关,即平时爱运动与不爱运动,其腿部肌力是不一样的。在15m行走过程中,胫骨前肌的肌肉还没有产生疲劳,所以非优势侧不用摹集更多的运动单元。而李青青研究的腓肠肌内侧头是非优势侧大于优势侧,本文的腓肠肌外侧头与之有类似的结论,但在均方根值和积分肌电值的收缩负荷比表现的是右侧略大于左侧,不过总体差异不大。可见,人在自然行走过程中,下肢前后肌群优势侧与非优势侧的募集情况还与肌肉力量有关。综上所述,在人体步行过程中,对于选取的