利用运动模式超声与表面肌电图评估核心耐力训练期间的肌肉功能

摘要

本方案采用运动模式超声与表面肌电图同步测量核心肌群功能。在侧平板支撑和仰卧直腿抬高（死虫式）训练的特定时间点，可评估局部稳定肌（如腹横肌、腹内斜肌）和整体运动肌（如腹外斜肌）的肌肉厚度及激活程度。

摘要

运动模式（M模式）超声使研究人员和临床医生能够测量肌肉厚度随时间的变化。在运动过程中，可在特定时间点测量筋膜边界之间的肌肉厚度。所选时间点生成一维图像，从而实现对解剖结构的实时动态观察。在功能性运动过程中使用的超声被称为动态超声；通过使用线阵探头、弹性绑带和泡沫垫固定探头位置，该方法具有可行性和可靠性。由于腹壁外侧肌肉存在重叠结构，常被选为超声检查的部位。表面肌电图（sEMG）可作为M模式超声成像的补充手段，因其可测量肌肉激活时的电活动表现。目前关于在核心肌群训练中同步使用M模式超声与sEMG的研究证据较少。用于挑战核心肌群的训练既包括等长收缩动作（例如侧平板支撑），也包括振荡性肢体运动（例如仰卧交替抬手脚“死虫式”动作）。本研究将同步使用这两种仪器来测量运动过程中的核心肌群功能。超声测量将采用线阵探头及超声设备完成，sEMG数据则通过无线sEMG系统采集。为了在不同受试者和不同训练之间进行比较，将采用静态状态下的起始运动姿势对两种仪器的数据进行标准化处理。超声激活比将通过收缩时肌肉厚度（运动中某一时间点的厚度）除以静息状态下的厚度（起始姿势）来计算。肌肉厚度将以厘米为单位，从上方下层筋膜边界测量至下方上层筋膜边界。这些方法旨在为核心耐力训练期间利用M模式超声与sEMG评估肌肉功能提供一种创新且实用的测量方案。

引言

腹外侧壁由腹横肌、腹内斜肌和腹外斜肌组成¹。腹外侧壁通过向心性、离心性和等长收缩来抵抗作用于身体的外力¹。该肌群的共同收缩可为人体核心区域提供稳定性^2,3。这些肌肉在下肢损伤的预防与康复过程中具有重要作用，因为躯干功能不良与髋关节内收增加和膝关节外翻增加相关，而这些因素均为下肢损伤的危险因素^4,5。注重加强核心肌群的力量和提高肌肉耐力，不仅可降低下肢损伤的危险因素，还可减轻下背痛⁶。近期建议，患有急性和慢性下背痛的个体应在康复训练中纳入躯干肌力增强、耐力训练以及特定躯干肌肉的激活训练⁶。特定躯干肌肉激活的一个示例是通过共同收缩来针对单独或成组的躯干肌，以恢复或增强腰盆-髋关节区域的控制能力或协调性⁶。

客观评估肌肉功能的两种方法是采用运动模式（M模式）超声和表面肌电图（sEMG）。M模式超声可实时显示在记录时间段内肌肉和筋膜的运动情况，从而反映运动的起始时间和运动幅度⁷。通过测量选定时间点上层筋膜下边界与下层筋膜上边界之间的距离，可获得肌肉厚度。将特定运动时刻的肌肉厚度除以静息状态下的肌肉厚度，即可计算出激活比率⁸。sEMG可提供有关肌肉激活程度和疲劳状态的信息，因其输出值可与肌肉最大收缩时的数值进行比较⁹。这两种仪器和方法此前已被用于测量健康个体和损伤个体在多种运动过程中髋部肌肉激活的起始时间¹⁰。针对躯干、特别是腹外侧壁的训练动作包括侧平板支撑和仰卧交替伸展（dead bug）^11,12,13。侧平板支撑以侧卧位进行，肘部位于肩部正下方，前臂着地，抬起髋部离开地面，直至脊柱处于中立位。双膝伸直，双脚叠放在一起⁹（补充图1）。仰卧交替伸展以仰卧位进行，双臂伸直上举，髋关节和膝关节屈曲成90°角。当一侧手臂上举过头的同时对侧下肢伸展时，该动作开始；另一侧手臂和下肢保持中立位，待原先活动的手臂和下肢回到中立位后，再进行对侧肢体的屈曲和伸展动作¹³（补充图2和补充图3）。

在侧平板支撑期间，腹外斜肌的激活程度可达最大自主等长收缩（MVIC）的37%至62%^11,12,14。在死虫式动作中，仅进行五次重复练习时，腹外斜肌的激活程度记录为MVIC的20%至30%¹⁵。腹内斜肌和腹横肌是腹外侧壁较深层的腹部肌肉，在侧平板支撑期间，其激活程度为MVIC的22%至28%^12,14。由于腹内斜肌与腹横肌在解剖位置上存在重叠，因此在采集表面肌电图（sEMG）信号时常将两者合并分析¹⁴。sEMG的一个局限性是邻近肌肉之间的串扰，即sEMG传感器可能检测到其他肌肉的信号，从而导致对肌肉激活程度的误判¹⁶。通过超声测量肌肉厚度可用于缓解这一局限性，且该方法在等长维持类躯干训练中具有可行性，例如前述的等长支撑动作¹⁷。

在侧平板支撑期间，腹外侧壁肌肉厚度被记录为收缩状态与静息状态厚度之间的绝对差值。在侧平板支撑进行至30秒时，腹内斜肌和腹外斜肌的肌肉厚度分别增加了0.526 mm和0.205 mm¹⁷。这些测量值是在侧平板支撑过程中某一时间点通过亮度模式超声（B超）获得的。B超通常用于评估运动前后的图像；然而，该方法仅允许在两个时间点进行测量¹⁸。与B超相比，M型超声具有更多优势，因为它能够检测肌肉激活的起始时间，并在整个运动过程中任意选择时间点测量肌肉厚度¹⁸。因此，本实验方案的总体目标是提供一种创新且实用的方法，结合M型超声与表面肌电图（sEMG），在核心耐力训练中评估肌肉功能。这种方法有助于研究人员和临床医生了解肌肉在整个运动过程中的功能表现，尤其是耐力性运动，而非局限于单一时间点的测量结果。

方案

所有人类参与者均签署了知情同意书。该方案是经中佛罗里达大学机构审查委员会批准的研究项目的一部分。纳入标准包括年龄在18至45岁之间，并根据美国运动医学会（ACSM）指南定义为身体活动活跃者（每周5天，每天进行30分钟中等至高强度的身体活动）¹⁹。排除标准包括过去一年内有下背痛史、当前存在髋部、上肢或下肢疼痛或损伤、一年内接受过下背或下肢手术、自述有平衡障碍、肌肉异常、目前处于妊娠期，或腹部区域有开放性伤口（表1）。

1. 数据采集工具准备

1. 检查超声设备和表面肌电图（sEMG）设备的完整性（参见材料表）。
   1. 打开超声设备，点击患者，并添加新患者。点击新建患者，输入患者编号。选择肌肉骨骼检查类型 > 腹部预设，然后点击注册。点击退出。
   2. 打开平板电脑（参见材料表），点击肌电记录应用程序。点击屏幕左上角的菜单按钮，搜索传感器。将传感器从底座中取出，悬停在激活按钮上方。传感器与应用程序连接后，使用受试者的编号创建一个新文件夹。
      注：腹部预设模式下的超声设置，B模式：B彩色 = 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，平均CrossXBeam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。腹部预设模式下的超声设置，M模式：扫描速度 = 0，M彩色 = Tint Map C，多普勒显示格式 = Vert ½ B，抑制 = 0，压缩 = 1，灰阶图 = Gray Map D，M增益（相对于B模式的增量）= 0。

2. 表面肌电图准备（参见材料表）

1. 受试者仰卧位时，通过触诊右侧髂嵴和右侧下肋骨确定腹外斜肌传感器的位置（图1）。将传感器置于下肋骨与髂嵴连线中点前方3 cm处，且与肌纤维走向平行²⁰。
2. 剃除并清洁传感器（见材料表）贴附部位的皮肤，并进行去角质处理。在传感器上涂抹粘合剂（见材料表），然后将其牢固地贴附于皮肤上。

图1：侧腹壁检查位置。 表面肌电图（sEMG）传感器置于肋缘下与髂嵴中点前方3 cm处，与肌纤维方向平行²⁰。超声探头置于脐外侧10 cm处，直至在屏幕上清晰显示侧腹壁结构。 请点击此处查看该图的放大版本。

3. 超声处理准备（参见材料表）

1. 站立位时，将换能器穿过弹性带和泡沫块（图2）。
2. 在换能器上涂抹凝胶，并将其置于脐外侧10 cm处。调整位置直至屏幕上可见侧腹壁结构²¹（图3）。
3. 确保换能器紧密贴合于侧腹壁。
4. 使用维可牢（Velcro）搭扣固定绑带。调节深度以在B型模式下获得最佳图像质量（图4）。

图 2：探头穿过弹性腰带和泡沫块的放置方式。 请点击此处查看此图的放大版本。

图3：用于确认侧腹壁的静息状态图像示例。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 4：通过弹性带和泡沫垫块将换能器固定在侧腹壁。 请点击此处查看此图的放大版本。

4. 超声静态侧平板支撑

1. 在瑜伽垫上（参见材料表），指导受试者以右侧卧位躺下，肘关节屈曲90度，使躯干和上肢抬离地面。受试者的双脚应相互叠放，膝关节完全伸展，双腿平行并紧贴瑜伽垫。
2. 按下冻结，然后按下存储，以获取腹外侧腹壁的三幅静态超声图像。
   注意：保存的图像将位于活动图像屏幕下方。

5. 表面肌电静态侧平板支撑

注意：研究人员还将同时获取步骤 4.1 中所述静态定位期间的表面肌电图（sEMG）输出。

1. 在肌电图记录应用程序左上角屏幕的sEMG菜单中，选择设置，即齿轮图标。
   1. 进入传感器设置页面后，选择肱二头肌图标。这将打开归一化测量页面。
   2. 点击点击播放开始；系统将进行5秒倒计时。在此期间，指导患者摆好测试姿势。记录将持续额外5秒。
   3. 记录“MVC = .XXXXmV”数值，该数值将用于归一化计算。
      ​注：肌电图移动套件会自动进行20–450 Hz的带通滤波。肌电图（RMS）参数为333.3，时间窗宽度为1125 ms。

6. 侧平板支撑

1. 接下来，指导受试者以正确姿势完成侧平板支撑，持续 60 秒²²。按下超声设备上的 M 键以开启 M 模式。
2. 在表面肌电（EMG）应用程序中，点击 Plot，按下 红色 按钮，然后再次按下 Save 按钮。系统将对受试者进行 3 秒倒计时。倒计时开始后，立即按下超声设备上的 Store 按钮以开始超声图像记录。
   注意：受试者需保持正确姿势直至 60 秒结束，或当研究者判断其姿势已不符合要求时停止。
3. 当运动结束后，按下 Store 以保存 M 模式视频，同时在表面肌电（sEMG）应用程序中点击 Stop 按钮。
4. 点击 Save file as，输入文件名以保存输出结果，该文件将在录制停止后显示于屏幕上。

7. 超声静态死虫动作

1. 在瑜伽垫上，指导受试者仰卧，双腿呈屈膝仰卧位。
2. 按压 B 进入亮度模式。按 冷冻 然后 储存 为每张图像采集腹外侧壁的三张静态图像 通过 超声。保存的图像将位于活动图像屏幕下方。

8. 表面肌电图静态死虫动作

1. 在肌电图（EMG）应用程序的菜单中（左上角），选择设置，即齿轮图标。
2. 进入传感器设置页面后，选择肱二头肌图标。这将打开用于归一化测量的页面。
3. 点击点击播放以开始。在5秒倒计时期间，指导患者摆好测试姿势。记录将持续额外5秒。
4. 记录“MVC = .XXXXmV”数值，该数值将用于归一化计算。

9. 死虫式

1. 接下来，指导受试者以正确姿势完成仰卧死虫动作，持续 60 秒。按下超声设备上的 M 键以开启 M 模式。
2. 指导受试者最大限度地伸展右侧肩关节，同时最大限度地伸展左侧髋关节和膝关节，并保持对侧肢体处于起始位置。
3. 然后指导受试者屈曲肩、髋和膝关节，回到起始位置。随后，对侧肢体执行相同的动作。
4. 要求受试者按照设定为每分钟 45 拍的节拍器节奏进行练习。这样可在 60 秒内完成 22 次仰卧死虫动作。
   注意：受试者应保持正确姿势直至 60 秒结束，或直至研究者判断其动作姿势已偏离或节拍节奏被中断为止。
5. 点击 Plot，按下 红色 按钮，然后点击 Play。再次按下 EMG 应用程序中的 Save 按钮。系统将给予受试者 3 秒倒计时。倒计时开始后，立即按下超声设备上的 Store 键以启动超声记录。

10. 超声静态测量

1. 当选择好需要测量的第一个静态图像时，点击 Enter。
2. 按下 Measure 以打开测量工具。从上腹筋膜边界至下腹筋膜边界，测量静态姿势期间的最大肌肉厚度（单位为厘米）（图5 [侧平板支撑] 和 图6 [仰卧死虫式]）。
3. 在上腹筋膜边界处点击 Enter，然后在下腹筋膜边界处再次点击 Enter。
4. 对侧平板支撑和仰卧死虫式的静态测量重复执行步骤 10.1–10.3。取三张静态图像的测量结果的平均值。

图 5：侧平板静态动作中腹外侧壁的示例，显示起始姿势及肌肉测量结果。A = 腹外斜肌（0.554 cm），B = 腹内斜肌（0.761 cm），C = 腹横肌（0.326 cm）。请点击此处查看本图的放大版本。

图6：死虫静态位时腹外侧壁的示例，展示锻炼起始姿势及肌肉测量结果。 A = 腹外斜肌（0.618 cm），B = 腹内斜肌（0.820 cm），C = 腹横肌（0.438 cm）。 请点击此处查看此图的放大版本。

11. 超声动态测量

1. 在运动的前5秒和后5秒内，测量腹外斜肌、腹内斜肌和腹横肌的最大厚度。此外，记录整个60秒期间各肌肉的最大厚度。
   注：侧平板支撑通常以5秒为一个动作单位进行。参考既往研究者的组数与重复次数建议，本实验方案选择60秒的持续时间以进行比较。通过比较任务开始的前5秒和结束前的后5秒，可评估该肌群的力量与耐力特性^23,24。
2. 使用滚动按钮，定位每个动作的前5秒和后5秒时间段。同时，目视检查在60秒运动过程中每块肌肉出现的最大厚度时刻。
3. 按下测量按钮以打开测量工具。在静态姿势下，从上方筋膜下缘至下方筋膜上缘之间，以厘米为单位测量肌肉的最大厚度（图7 [侧平板支撑] 和 图8 [仰卧死虫式]）。
4. 将每次运动中测得的三块肌肉厚度值分别除以静息状态下的平均厚度值，计算得到肌肉激活比值²⁵。

图7：侧平板支撑运动期间腹外侧壁的示例，以及M型模式下肌肉厚度的测量。 A = 腹外斜肌（0.968 cm），B = 腹内斜肌（0.937 cm），C = 腹横肌（0.714 cm）。 请点击此处查看该图的放大版本。

图8：死虫运动期间腹外侧壁的示例及M型模式下肌肉的测量。 A = 腹外斜肌（0.840 cm），B = 腹内斜肌（0.840 cm），C = 腹横肌（0.720 cm）。 请点击此处查看此图的放大版本。

12. 表面肌电图测量

1. 在肌电数据记录页面上按下首页图标。选择屏幕右上角的文件夹图标。静态试验和运动试验的保存结果将存储在此处。转换每个文件为.xlsx文件。导出该.xlsx文件。
2. 在电子表格中，获取前5秒和最后5秒内的最大值，以及整体最大值。
3. 分别将步骤5（静态侧平板sEMG）和步骤8（仰卧死虫动作sEMG）中获得的静态sEMG输出值除以运动过程中的sEMG输出值。

结果

在静态、运动起始体位期间，超声和表面肌电图（sEMG）的测量值如表2所示。这些数值在计算激活比时将作为分母使用。腹外斜肌、腹内斜肌和腹横肌在前5秒、后5秒以及整个持续时间（60秒）内的厚度值见表3。这些数值需除以表2中的对应数值。表面肌电图（sEMG）值相对于静态、运动起始体位的标准化结果，在前5秒、后5秒以及峰值活动期间的数据列于表4中。

激活比值用于描述肌肉厚度在运动过程中相较于静息状态（即运动起始位置）增加的程度。例如，若在侧平板支撑期间腹外斜肌的激活比值为1.73，则表示该肌肉厚度在运动过程中增加了73%。腹外斜肌、腹内斜肌和腹横肌的激活比值总结于表5中。使用激活比值可使研究人员和临床医生评估在不同运动和体位下肌肉厚度变化的程度²⁶。采用M型超声成像采集图像还可实现时间同步，以确定肌肉激活的起始时间及该时刻对应的肌肉厚度^7<...

讨论

M型超声可在选定时间段内实时观察解剖结构时，提供肌肉组织运动起始时间及肌肉厚度变化的信息²¹。将M型超声与表面肌电图（sEMG）结合，可全面了解肌肉功能，包括电活动表征和可视化观察。在运动过程中，这些仪器可协同使用，为研究人员提供关于肌肉功能的整体认识。

必须对超声和表面肌电图（sEMG）技术进行专门培训，才能获得可靠且有效的测量结果。为了比较不同仪器（例如静态、运动起始位置）的测量数据，M型超声和sEMG所采用的归一化方法应保持一致²⁶。

根据受试者的体型，可能需要对用于固定换能器的泡沫块进行调整。弹性绑带的松紧程度也需根据受试者的体型进行相应调节。在运动前或运动后活动过程中，换能器可能会略微偏离最初的定位位置。在整个数据采集过程中，持续监测超声屏幕上腹外侧壁的图像至关重要。需要使用足量的超声耦合剂以确保成像清晰，但过多的耦合剂可能会影响表面肌电（sEMG）传感器的黏附性。在数据采集过程中，调整所用超声耦合剂的最佳用量非常重要。<...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
酒精消毒垫	Henry Schein	HS1007
Amazon Basics 1/2英寸加厚健身瑜伽垫	Amazon	YM2001BK
Delsys Trigno 传感器粘性接口，4槽	Delsys	SC:F03
Delsys Trigno 无线系统	Delsys	T03-A16014
Galaxy Tablet S5e	Samsung	SM-TS20N
GE NextGen Logiq e 超声设备	GE Healthcare	HR48382AR
线阵探头	GE Healthcare	H48062AB
Trigno Avanti 传感器	Delsys	T03-A16014