单次运动测试后肌电疲劳阈值的测定

摘要

本方案描述了肌电图疲劳阈值，该阈值用于区分非疲劳性与疲劳性运动负荷。这一信息可用于制定更加个体化的训练计划。

摘要

理论上，肌电图（EMG）疲劳阈值是指个体能够无限期维持而无需募集更多运动单位的运动强度，该强度与肌电信号振幅的增加相关。尽管已有多种方案用于估算EMG疲劳阈值，但这些方法需要多次测试，临床应用中并不实用。本文介绍一种仅需单次测试即可估算自行车功率计运动中EMG疲劳阈值的实验方案。该方案操作简便、耗时短（15–20分钟内完成），具有转化为临床医生用于运动处方制定工具的潜力。

引言

表面肌电图（EMG）是一种用于研究等长^1-3、等速^4-6或连续性^7-10肌肉收缩过程中运动单位募集的非侵入性方法。EMG信号的幅度反映了肌肉激活程度，其由被激活的运动单位数量、运动单位的放电频率或两者共同决定¹¹。EMG疲劳阈值的概念用于表示个体能够无限时进行运动而不引起EMG信号幅度增加的最高负荷水平⁸。

有必要简要讨论一下肌电疲劳阈值（EMG疲劳阈值）的起源。deVries et al.¹² 的原始研究采用了一种包含多个（通常为3至4次）不连续运动阶段的实验方案，对每个运动阶段分别绘制肌电信号幅值随时间变化的曲线。然后将功率输出与各肌电信号幅值-时间关系的斜率系数作图，并外推至斜率为零（即y轴截距）¹²。该研究的作者¹²最初将该方案称为“疲劳阈值下的体能工作能力”（PWCFT）。在另一项研究中，deVries et al.¹³ 同样采用不连续运动阶段，但使用线性回归方法确定导致肌电信号幅值-时间关系出现显著斜率的第一个功率输出水平。这些作者¹³也将该方案称为PWCFT，从而在文献中造成了一定混淆。随后，deVries et al.¹⁴ 对其早期方案¹³进行了改进，提出了一种连续递增功率的实验方案。对于每一功率输出水平，绘制肌电信号幅值随时间变化的曲线，PWCFT被定义为：不引起肌电信号幅值随时间变化的最高功率输出与引起肌电信号幅值随时间增加的最低功率输出的平均值¹⁴。

需要注意的是，“PWC”这一术语最初于20世纪50年代末提出^15,16，与大量文献（包括过去和现在的研究，以及不同国家的研究）中关于在特定负荷下有氧能力的探讨同义¹⁷。此外，该术语也见于人机工程学和工业领域的文献中，这些研究主要关注工人在8小时工作日内重复作业时的日常工作效率，例如装配车间的工作人员¹⁸。

EMG疲劳阈值（EMG fatigue threshold）这一术语最初由Matsumoto及其同事¹⁹提出，他们在修改deVries¹²方案的基础上，将功率输出与EMG幅值随时间变化关系的斜率系数作图，并外推至斜率为零的点。最近，Guffey et al.²⁰ 和 Briscoe et al.⁸ 采用了deVries et al.¹⁴ 的方法以及Matsumoto et al.¹⁹ 的术语来操作性地定义EMG疲劳阈值。今后，我们建议统一使用EMG疲劳阈值这一术语。具体而言，需针对每个功率输出水平绘制EMG幅值随时间变化的关系图，并通过线性回归分析进行处理（图1）。为估算EMG疲劳阈值，需确定具有非显著性斜率（p >0.05）的最高功率输出，以及具有显著性斜率（p <0.05）的最低功率输出，然后计算二者的平均值¹⁴。该方案简便、快捷，可在15–20分钟内完成。此外，递增速率可根据个体日常身体活动水平进行调整，因此在临床环境中具有潜在应用价值。

方案

所有操作程序均经大学机构审查委员会（人类受试者）批准。

1. 受试者腿部的准备

1. 让受试者将目标腿部的短裤整齐地卷起，然后用胶带固定短裤，使股四头肌群暴露出来，并在需要剃毛的区域周围画一条线。
2. 重要提示：应让受试者在测试前剃毛，而不是前一天剃毛，以确保没有残留胡茬干扰肌电（EMG）信号。
3. 受试者完成腿部目标区域剃毛后，使用异丙醇清洁剃过的皮肤，以确保去除残留的剃须凝胶（或乳膏），避免其干扰肌电（EMG）信号。

2. 电极放置位置的腿部测量

1. 为了将肌电图（EMG）电极放置在股外侧肌上，请进行以下测量：
   1. 让受试者直立，面向研究人员站立。
   2. 定位髂前上棘（ASIS）和髌骨外侧缘。髂前上棘即髋部骨骼，可通过将手置于脐下方腹部两侧并触诊确定。
   3. 使用卷尺测量上述两个解剖标志点之间的距离，并从髂前上棘向髌骨外侧缘连线的2/3处标记位置。注：有关EMG电极放置的更多详细信息，请访问SENIAM（肌肉无创性表面肌电图评估）网站：http://www.seniam.org/

3. 肌电图电极的放置

1. 确定股外侧肌的位置后，取肌电图（EMG）电极（大多数研究人员使用 commercially available 一次性 Ag-AgCl 电极），在不移除粘性保护膜的情况下将其放置于股外侧肌表面。然后用笔标记电极凝胶部分与肌肉接触区域的位置。确保电极间距离为 20 mm（中心到中心）。
2. 使用一张粒度为60的粗砂纸，轻轻摩擦这两个区域，以去除皮肤表层。在此过程中，询问受试者不适程度。当受试者表示该区域有温热感时，停止摩擦。
3. 用沾有异丙醇的毛巾或酒精棉片清洁磨损区域。在放置肌电图电极前，先让腿部区域自然干燥。
4. 将肌电图电极放置在已进行皮肤磨砂处理的部位图2）。注意不要将电极放置在髂胫束（IT束）上。请受试者收缩股四头肌，以便触诊股外侧肌。将电极置于肌肉上，确保其未位于IT束上。注意：若电极置于IT束上，当受试者进行最大收缩时，肌电（EMG）信号会被减弱。
5. 放置参考电极（3^rd 电极）置于骨性附着点（如髂前上棘），从而在运动过程中不干扰下肢活动。

4. 检查肌电图信号

1. 开始运动测试前，检查电极间的阻抗。
   注意：此步骤至关重要，因为如果信号噪声过大，则运动测试期间采集的肌电图（EMG）数据将无效。
   1. 让受试者坐在椅子上，并将肌电（EMG）导联连接到其腿部相应的电极上。
   2. 此时让受试者放松腿部，使肌肉无任何张力。在持续约30秒的放松后，让受试者尽力最大限度地收缩股四头肌5秒，然后恢复完全放松状态。
   3. 执行上述任务（步骤4.1.2）时，在计算机上记录受试者的肌电信号。
   4. 确保电极间的阻抗<2,000 欧姆。此外，若实验室配备有电压表，则应检查基线噪声并保持在5 µV以下。同时，将采样频率设置为1,000 Hz。

5. 设置功率自行车

1. 检查电极间阻抗后，让受试者从椅子转移到功率自行车上。
2. 让受试者站在功率自行车旁，抬起膝盖直至大腿与地面平行。然后让受试者保持此姿势，调节座椅高度至与受试者大腿高度一致。
3. 随后，让受试者坐在功率自行车座椅上，踩踏几次，并询问其对座椅高度是否感到舒适。如有需要，进一步调节座椅高度。
4. 确保受试者在每次踩踏过程中腿部接近完全伸展，同时膝关节保持轻微弯曲（约5°）。
5. 测试开始前，让受试者佩戴心率监测仪，以便在整个运动测试过程中记录心率。

6. 执行肌电图疲劳阈值方案

1. 让受试者开始踩踏自行车，并逐渐增加转速至70转/分钟。然后将功率自行车的功率输出增加至50 W。
2. 让受试者以该功率输出骑行约2–3分钟。
   注意：此为低强度运动，作为热身阶段。
3. 热身阶段结束后，每2分钟增加25 W的功率输出，直至受试者无法维持70转/分钟的转速或要求停止测试。
   注意：在运动测试过程中，应在每个2分钟阶段的第10–20秒、30–40秒、50–60秒、70–80秒、90–100秒以及110–120秒期间，以10秒为时间段记录肌电（EMG）信号²¹。大多数EMG系统均提供按设定时间间隔自动记录的选项。因此，每个阶段应生成6个数据文件。
4. 递增测试结束后，让受试者以50 W的功率进行整理运动。确保整理运动持续时间足够，使受试者心率恢复至热身阶段的水平。通过极地心率监测仪（polar heart rate monitor）持续监测其心率变化。
5. 整理运动完成后，移除EMG导联线，让受试者从功率自行车上下来并返回座椅。随后小心取下EMG电极，并使用蘸有异丙醇或酒精棉片的干净毛巾擦拭电极贴附区域。

7. 处理肌电图信号

1. 测试完成后，处理在运动测试期间采集的原始肌电图（EMG）数据文件，以便利用这些数据确定肌电疲劳阈值。
   1. 使用采集EMG信号的软件，或使用MATLAB或LabVIEW等平台编写的自定义软件，对EMG信号进行处理。
   2. 使用带通滤波器对采集到的EMG信号进行滤波，设置范围为10至500 Hz。注意：此步骤可调整信号频率，以去除由于EMG导联移动引起的低频伪迹（<10 Hz）以及来自环境的高频干扰（>500 Hz）。如果计算机或EMG系统电源存在干扰，应使用60 Hz陷波滤波器。
   3. 信号滤波后，通过计算信号的均方根值来确定信号幅值：将每个数据点平方，求和后除以数据点总数，再对所得结果取平方根。使用上述软件完成这些计算。

8. 确定每位参与者的肌电疲劳阈值

1. 为每位参与者执行以下步骤。
   1. 在肌电图信号处理完成后，使用统计学软件（例如：GraphPad Prism）并将第一列标记为“时间”，后续各列标记为测试中使用 的功率输出。
   2. 针对每个功率输出，填写每20秒时间间隔对应的肌电振幅值。
   3. 对于每个功率输出，采用线性回归分析时间（x轴）与肌电幅度（y轴）之间的关系，以确定回归线的斜率是否具有显著性（p <0.05）与零有显著差异。
   4. 在对所有功率输出进行线性回归分析后，确定具有非显著性（p >0.05）斜率。
   5. 然后确定具有显著性（p <0.05）斜率。
   6. 一旦确定这两个功率输出值，将其相加后除以2；所得的功率输出即为估计的肌电疲劳阈值。

结果

如图1所示，对于单个受试者，每个完成的功率输出均包含六个数据点，代表股外侧肌的肌电振幅。因此，在本示例中，斜率无显著性差异（p >0.05）的最高功率输出为200瓦，而斜率具有显著性差异（p <0.05）的最低功率输出为225 W。因此，该受试者的肌电疲劳阈值为213 W。在确定每位受试者的肌电疲劳阈值后，即可进行推论统计分析。

图 1：单个受试者的代表性结果。对每个功率输出下的 EMG 振幅与时间关系进行了线性回归分析。 红色箭头所示的功率输出（2...

讨论

本文介绍一种用于动态运动中测定股四头肌神经肌肉疲劳的方法。该方法提供了一种简单且无创的表面肌电图（EMG）应用方式。此外，该方法具有良好的通用性，研究人员可将其调整应用于其他运动模式，例如跑步机运动²⁰。

理论上，当运动强度处于或低于肌电疲劳阈值时，受试者应能够无限期地维持该运动负荷^12,13。Briscoe et al.⁸ 验证了在功率自行车运动中肌电疲劳阈值的有效性。在不同时间点，每位受试者分别以自身肌电疲劳阈值的70%、100%和130%进行运动。研究发现，在70%和100%肌电疲劳阈值的运动负荷下，受试者的肌电信号振幅在运动过程中未出现升高⁸；然而，在130%肌电疲劳阈值的运动负荷下，受试者的肌电信号振幅则显著增加⁸。Briscoe et al.⁸ 得出结论：功率自行车运动中的肌电疲劳阈值是一种有效的方案，可用于判定连续运动过程中的神经肌肉疲劳状态。

关...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
839 E Monark 功率自行车	Monark Exercise AB	839 E
心率监测器	Polar	Polar H1
笔记本电脑	Dell Inspiron	varies	任何带 USB 插槽的笔记本电脑均可使用。
肌电放大器	BioPac Systems, Inc.	100B	100C 为最新版本
一次性肌电电极	BioPac Systems, Inc.	EL-500
砂纸	Home Depot	9 英寸 × 11 英寸 60 目粗粒防滑砂纸（3片装）