利用亮度模式超声在高尔夫挥杆过程中提供视觉生物反馈

摘要

亮度模式超声可用于在高尔夫挥杆过程中对腹外侧壁肌肉提供视觉生物反馈。挥杆后的视觉和语言指导可增强腹外斜肌和腹内斜肌的肌肉激活程度及激活时序。

摘要

结合超声生物反馈与口头提示可比单独使用口头提示更显著地增加肌肉厚度，并可能增强针对运动人群及身体活动活跃人群的传统康复技术效果。可通过与视频同步的逐帧分析应用亮度模式（B-mode）超声，以了解在这些动态任务中肌肉厚度的变化情况。超声视觉生物反馈已应用于腹外侧壁肌肉的静态体位研究。然而，通过使用弹性带和泡沫块将探头固定于腹部，可在终身运动项目（如高尔夫）中更具体的相关动作期间实施生物反馈。为分析高尔夫挥杆过程中的肌肉活动，可比较肌肉厚度的变化。在整个任务过程中肌肉厚度应持续增加，表明肌肉活动性更高。该方法使临床医生能够立即回放超声视频，作为视觉工具指导患者正确激活目标肌肉。例如，超声可用于靶向腹外斜肌和腹内斜肌，这些肌肉在挥杆击打高尔夫球或任何其他旋转类运动及活动中发挥重要作用。本方法旨在提高高尔夫挥杆过程中腹斜肌的肌肉厚度。此外，还可通过指导患者在特定时间点（如下挥杆起始阶段）收缩腹部肌肉，以针对性地调节肌肉收缩的时机，从而改善任务期间的肌肉激活模式。

引言

腹外侧壁的肌肉包括腹外斜肌、腹内斜肌和腹横肌。腹外斜肌执行躯干的侧屈和对侧 旋转，而腹内斜肌执行同侧 躯干旋转。腹横肌是腹部肌肉中最深层的一层，其功能是增加腹内压并增强脊柱的节段性稳定性¹。这些肌肉的正常功能对于降低下背部疼痛风险和提高运动表现具有重要意义，因为核心稳定性能够通过四肢传递更大的力量和爆发力²。

在强调躯干旋转的运动中，例如高尔夫、网球、棒球或垒球，核心肌群承受着较高的负荷。例如，在高尔夫挥杆过程中，通过表面肌电图测量发现，身体后侧腹斜肌的活动峰值达到最大自主等长收缩（MVIC）的64%，而前侧腹斜肌的活动峰值达到54% MVIC³。躯干旋转是影响高尔夫击球距离和准确性的关键因素⁴。高尔夫挥杆带来的应力以及核心肌群的高负荷活动可能引发下背部疼痛，这是高尔夫运动中最常见的损伤⁵。此外，在患有下背部疼痛的高水平高尔夫球手中，外腹斜肌的活动时机相较于健康个体在挥杆过程中出现延迟⁶。另一项肌电图研究发现，患有下背部疼痛的高尔夫球手竖脊肌的激活时间早于无下背部疼痛的球手⁷，提示关注前外侧腹部肌肉的训练可能具有益处。因此，测量高尔夫挥杆过程中腹部肌肉活动的程度和时机，对于提高运动表现并降低下背部疼痛风险具有重要意义。

由于腹外侧壁肌肉具有分层结构，康复超声常用于评估该区域的肌肉^8,9,10。在仰卧位或更接近实际高尔夫挥杆姿势的体位下，有无下背痛的大学生高尔夫球手其腹横肌的激活程度并无差异¹¹。然而，腹横肌活动仅是高尔夫挥杆动作的一个组成部分，对于该人群而言，躯干旋转可能更为重要。既往研究曾使用弹性腰带和泡沫块将超声探头固定于腹部，从而可在动态动作（如单腿深蹲或步行）过程中对核心肌群进行超声评估⁸。已有研究表明，在动态动作中应用超声具有可接受至优秀的可靠性¹²。该技术可用于测量高尔夫挥杆或其他运动专项任务期间腹外侧壁肌肉厚度的变化。尽管表面肌电图常用于测量肌肉的电活动，但在腹部区域的应用可行性较低。由于腹部肌肉的分层解剖结构，容易产生肌电信号串扰，且无法直观显示核心肌群各肌肉层的独立形态¹³。与表面肌电图等其他方法相比，超声对核心肌群具有优势，因其不仅能分别显示各单个肌肉，还可提供可用于反馈的实时图像¹⁴。

由于超声能够实时显示目标肌肉的图像，因此也可用作视觉生物反馈的工具。与仅使用语言提示相比，超声生物反馈能够更有效地增加腹横肌和腰多裂肌的肌肉厚度^15,16。此外，对于有或无下背部疼痛的高尔夫球手，实时超声生物反馈可在仰卧位和高尔夫准备姿势下增加腹横肌的厚度¹¹。仰卧位的生物反馈训练效果还可迁移到直立负重任务中¹⁷。目前仍需更多研究来确定生物反馈训练所需的频率和持续时间，因为大多数研究采用的是单次会话或短期训练方案¹⁵。由于超声已应用于功能性任务中，且已有证据表明高尔夫球手可在准备姿势下增强深层肌肉的预先激活，下一步研究应探讨在高尔夫挥杆过程中利用超声生物反馈来增加斜肌厚度的效果。

因此，该方法旨在利用超声波作为反馈机制，以改善挥杆过程中腹斜肌的激活程度和激活时机。

方案

本方案是经中佛罗里达大学机构审查委员会批准的一项研究的一部分。所有参与研究的人类受试者均已签署知情同意书。纳入研究的条件包括：年龄在18至75岁之间，过去一年内每月至少打一次高尔夫球，或过去两个月内每周至少打一次高尔夫球，持续打高尔夫球至少两年，并且在过去12个月内至少出现过两次下背部疼痛。排除标准包括：存在平衡障碍、目前处于妊娠期、过去一年内接受过下背部或下肢手术，或在需要放置换能器的腹部区域有开放性伤口。

1. 超声设备设置与数据采集

1. 使用开/关按钮打开并启动超声设备（参见材料表）。
2. 按下键盘上的患者按钮以添加新患者，并在屏幕左侧选择新患者。
   1. 输入所需的患者编号，确保选择MSK作为检查类型，然后点击注册。退出以开始检查并进入B模式。
      注意：MSK腹部预设B模式下的超声设置：B色 = Tint Map D，写入缩放高度 = 4，写入缩放宽度 = 4，热指数 = Tls，ATO水平 = 低，焦点数 = 2，焦点数CrossXBeam = 2，焦点深度 = 50，深度（cm）= 3，压缩 = 1，焦点宽度 = 1，焦点宽度CrossXBeam = 1，线密度 = 3，线密度CrossXBeam = 3，抑制 = 0，帧平均 = 4，CrossXBeam平均起始值 = 2，CrossXBeam 2，CrossXBeam # = 低，CrossXBeam类型 = 平均，边缘增强 = 3，B偏转 = 0，灰阶图 = Gray Map C，增益 = 34，动态范围 = 69，抑制 = 0，频率（MHz）= 12。
3. 将线阵探头置于弹性带中，将线阵探头的头部穿过带子中部的水平狭缝（参见材料表）。然后，使用一到两个泡沫块固定探头位置。
   1. 在线阵探头上涂抹超声耦合剂（参见材料表）。将探头置于侧腹壁，位置大约在脐外侧10 cm处⁸。
   2. 使用钩环扣件将带子固定在受试者身上。确保带子足够紧，使探头垂直于侧腹壁固定⁸。
   3. 如有必要，调整超声图像的深度和增益（亮度），以清晰显示腹外斜肌、腹内斜肌和腹横肌的筋膜边界和肌肉厚度。在此纵向视图中，确保腹横肌的筋膜边界可见于屏幕边缘（图1）⁸。
      注意：深度取决于被测个体的体型，但需确保腹横肌的深筋膜边界清晰可见，图像清晰。
   4. 图像清晰后，将患者调整至与其即将完成的动作相对应的姿势。例如，若其进行高尔夫挥杆动作，则让其站立于准备姿势。按下冻结，然后按下存储以捕获静态图像，将其保存至患者的检查记录中，并可实时测量或稍后调用以测量静息状态下的肌肉厚度。
      注意：参见图1，了解使用B模式超声获取侧腹壁清晰图像的示例。
4. 再次选择冻结以返回实时成像。按下存储以开始B模式视频录制。检查屏幕右下角，确认计时器开始运行并以亮绿色高亮显示，表示正在录制视频。在录制开始后，指导受试者完成一次完整的高尔夫挥杆动作。
   1. 再次按下存储以结束视频录制，并将其保存至其检查记录中。
      注意：已保存的图像和视频将显示在当前活动图像下方，每行最多显示五幅。使用光标滚动浏览或选择之前的图像。
5. 根据研究需要重复步骤1.4若干次。若图像变得模糊，可根据需要在泡沫块内调整超声探头的位置。
   注意：典型的比较生物反馈与非生物反馈条件的实验方案，每种条件下通常进行3至10次重复^11,17。
   1. 每次试验后，检查视频的图像清晰度。若图像在任何时刻变为无回声（全黑），表明超声探头在挥杆过程中发生了移动。在此情况下，应排除该次试验并重新测量。
6. 每次挥杆后，让患者处于能够看到超声屏幕的位置。打开最近一次的试验记录。
   1. 简要概述并描述目标肌肉（对于旋转动作，包括腹外斜肌和腹内斜肌）。说明肌肉在运动过程中应如何增厚，并向其展示其试验结果，根据每次尝试提供相应的教育指导。
   2. 例如，若腹斜肌在整个任务过程中大小基本不变，应指导其在下一次尝试中专注于在整个动作过程中主动强力收缩核心肌群，而非被动旋转躯干。
      ​注意：在高尔夫挥杆过程中强调躯干旋转作为力量来源，是高水平高尔夫球手的常见特征¹⁸。在旋转动作过程中通常难以提供实时生物反馈，因此认为在每次试验后提供反馈是可接受的¹⁹。
7. 根据所需次数重复进行生物反馈试验。每次尝试后提供超声图像以及口头提示或指导，并根据需要调整提示内容。

图1：静止站立时右侧腹外侧壁的超声图像。（A）腹外斜肌。（B）腹内斜肌。（C）腹横肌。请点击此处查看该图的放大版本。

2. 静息态图像处理

1. 打开第一张静息状态图像进行测量。使用光标悬停在活动图像下方库中的目标图像上，然后点击Enter。
   1. 点击一次Measure以打开测量工具。当光标位于目标肌肉的上层筋膜边界时，点击Enter。
      注意：本研究中测量了腹外斜肌和腹内斜肌，因为它们是目标肌肉，但在此视图中也可测量腹横肌。
   2. 当光标位于下层筋膜边界时，再次点击Enter。
      注意：测量段的长度将显示在屏幕左下角，单位为厘米。将该长度记录在一个电子表格中，表格应包含受试者或患者姓名/编号以及静息状态下肌肉厚度。
2. 对需要测量的所有图像，重复步骤2.1.1–2.1.2，分别用于腹外斜肌和腹内斜肌的测量。

3. B 型超声视频处理

1. 完成所需数量的视频采集后，打开第一个待处理的视频。使用光标悬停在活动图像下方库中的目标图像上，然后点击 Enter 按钮。
2. 调整 B 模式视频中的观察范围，直至到达第一帧。确定所需的采样率。
   注意：以往文献在分析时通常采用总帧数的 0%–100% 范围内以 10% 为间隔的帧，但具体采样密度可根据研究目的适当增加或减少²⁰。
3. 当目标帧打开后，使用 Measure 工具。点击按钮一次以启动该工具，将光标置于目标肌肉的浅层筋膜边界处，点击 Enter 以设定测量线的第一个端点。
4. 将测量线拖动至目标肌肉的深层筋膜边界，再次点击 Enter 以完成测量。
   注意：测量所得距离将显示在屏幕左下角。
5. 按下 Store 按钮以保存已测量的图像。
6. 将测量结果记录在一个电子表格中，表格应包含受试者或患者姓名/编号、帧编号以及厚度测量值。然后返回原始的 B 模式视频帧（步骤 3.2）。
7. 滚动至下一个待分析的帧。例如，若在一个包含 100 帧的挥杆动作中计划采集 11 个时间点（即 0%–100% 范围内每 10% 一个点），则当前应使用第 10 帧（即 10/100 表示总共 100 帧中的第 10 帧）。
   1. 重复步骤 3.3–3.4，测量下一帧。
8. 重复步骤 3.7，直至所有目标帧均完成测量。
9. 转至下一个视频，重复步骤 3.1–3.8，直至所有视频均完成测量。
   ​注意：有关挥杆动作各阶段处理后帧的汇总图示，请参见 图 2。

4. 活化率计算

注意：激活比常用于确定肌肉厚度变化的程度^8,9,11。激活比的计算公式为收缩时厚度（cm）/静息时厚度（cm）。

1. 为确定特定时间点的激活比率，按照步骤3测量厚度，并将该值除以从步骤2获得的静息图像厚度。

图2：对右手持杆高尔夫球手右侧外侧腹壁（远端侧）B型超声视频的逐帧分析。 EO = 腹外斜肌；IO = 腹内斜肌。 请点击此处查看此图的放大版本。

结果

	无反馈			生物反馈
摆动时长	腹外斜肌厚度 (cm)	腹内斜肌厚度 (cm)	腹斜肌总厚度 (cm)	腹外斜肌厚度 (cm)	腹内斜肌厚度 (cm)	腹斜肌总厚度 (cm)

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讨论

在基于旋转的运动动作（如高尔夫挥杆）后提供超声生物反馈，可用于增加腹外侧壁肌肉的厚度。如代表性结果所示，单次超声生物反馈试验即可在整个高尔夫挥杆过程中引起斜肌活动的短期增加。

既往研究在动态任务中也使用了通过弹性绑带固定的B型超声²⁰，测量过程在受试者于跑步机上行走时进行。与本研究方法类似，作者将B型超声视频简化为少量静态图像，以代表步行步态周期。这使得数据处理和分析更为可行，因为图像在步态周期中以10%的时间间隔进行采样。本方案在此方法基础上，将B型超声应用于复杂旋转性动作中的生物反馈工具。然而，由于步态具有周期性，因此在与本方案进行直接比较时需谨慎。高尔夫挥杆动作可分解为若干较小阶段，例如准备姿势、上杆、下杆和随挥²¹。但由于高水平运动员的上杆平均持续时间不足1秒，下杆平均持续时间少于0.25秒²¹，因此将B型超声视频与挥杆的具体阶段同步存在挑战。临床医生可通过同步挥杆视频与B型超声视频，观察肌肉活动变化，从而直接比较挥杆各阶段。随后可...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Aquasonic 100	Parker	BT-025-0037L	超声耦合凝胶
GE NextGen Logiq e 超声设备	GE Healthcare	HR48382AR
线阵探头	GE Healthcare	H48062AB
Velcro 绑带	VELCRO		用于固定超声探头的弹性带的紧固件