張非若王生王波陶鑫何麗華成波
《中國生物醫學工程學報》2012年03期
【作者單位】：清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室；
北京大學醫學部公共衛生學院；
摘要：
探討低負荷作業水平下頸肩肌肉骨骼疾患的特征性肌電信號。
使用北歐肌肉骨骼疾患問卷將24名縫紉女工分為癥狀組和無癥狀組。采用表面肌電圖技術（sEMG）連續記錄兩組女工在縫紉操作時雙側頸豎脊肌（LCES和RCES）、雙側上斜方肌（LUT和RUT）200 min的肌電信號。肌電的時域指標以電活性（EA）表示，頻域指標為中位頻率（MF），并計算每分鐘EA隨時間變化的斜率（EA slope）和每分鐘MF隨時間變化的斜率（MF slope）。通過頻譜振幅聯合分析（JASA），統計測試肌肉EA slope與MF slope交點在JASA圖中的頻數和時間賦值。
結果表明：
無癥狀組測試肌肉EAslope與MF slope交點在JASA圖各象限分布均勻，差異無顯著性；癥狀組在JASA圖各象限分布頻數的差異有顯著性（χ2=46.08，P＜0.01）。
兩組工人不同肌肉在各象限中分布：LCES和RCES在第2象限（χ2LCES=5.35，P＜0.05；χ2RCES=9.36，P＜0.01）和第4象限（χ2LCES=5.63，P＜0.05；χ2RCES=5.93，P＜0.01）中頻數分布差異有顯著性。
LUT和RUT在這兩個象限中頻數分布差異無顯著性。
EA slope與MFslope的交點在JASA圖中時間賦值分析表明，無癥狀組肌電在JASA圖4個象限點的分布差異經方差分析顯示無顯著性；癥狀組則差異有顯著性（FLCES=2.29，P＜0.05；FRCES=4.02，P＜0.01；FLUT=3.39，P＜0.05；FRUT=4.98，P＜0.01）。兩組EA slope與MFslope交點在JASA圖4個象限中時間賦值分布有顯著性差異（F=5.43，P＜0.01）。振幅指標和頻譜指標的斜率交點在JASA圖第4象限分布不均，是頸肩部肌肉骨骼疾患肌電信號的特征性變化。
引言
有關研究證明頸肩肌肉骨骼疾患(work-related musculoskeletal disorders ofneck-shoulder，WRMSDs-NS)在坐姿作業職業人群中高發。研究表明坐姿作業中頸部肌肉起維持頭部姿勢穩定作用的這些肌肉能耗不高但靜力負荷大，長時間維持持續募集和激活易引起肌肉疲勞。長期的、不能獲得有效恢復的肌肉疲勞會導致頸部，肩部疼痛，酸脹引起WRMSDs-NS。近幾十年來，表面肌電圖技術(surfaceelectromyography，sEMG)已經成為評價肌肉功能的必要手段和僅有的定量方法，是用于評價肌肉負荷水平和功能狀態的有力工具，因其無創性和客觀性已廣泛應用于康復學、運動學、生理學、醫學和工效學等學科。
通過sEMG所獲得的肌電信號為一維時間序列信號，表現為類噪聲的高斯分布信號，肌肉等長收縮時，肌電信號疲勞特征為振幅指標的增大和/或頻譜左移。但目前對肌肉動態收縮和持續低負荷水平作業條件下的肌電信號研究尚無一致性，肌電信號特征性分析尚無統一公認的指標。本研究以有、無頸肩疼痛癥狀的兩組縫紉機操作女工為研究對象，采集并分析持續工作期間其雙側頸豎脊肌(left/right cervical erector spinae，LCES/RCES)、雙側斜方肌上支(left/right upper trapezius，LUT/RUT)的肌電信號，對比其肌電信號在連續的縫紉操作過程中的變化，獲取能夠指示頸肩肌肉骨骼疾患的特征信號。
1對象和方法
1．1受試對象
本實驗使用北歐肌肉骨骼疾患問卷(nordicmusculoskeletal disorders questionnaire，NMDQ)將24名縫紉機操作女工分為癥狀組(12名)和無癥狀組(12名)。分組標準為：在標準化的NMDQ軀干圖上標出頸肩部疼痛，近1年疼痛累積超過3個月或近1周內累積超過1天或測試當天出現疼痛，疼痛等級評分>2。
1．2方法
1．2．1表面肌電圖設備和電極粘貼
表面肌電信號采集和測力設備為芬蘭MAGA公司出產的4通道肌電采樣儀Mega ME6000。測量方式為在線實時測量；前置放大器為模擬差分放大；濾波處理采用低通雙極模擬信號處理系統，濾波器范圍為8～500 Hz；靈敏度為1μv；共模抑制比(CMRR)為110dB，大的飄移噪聲絕對值為1．6μv，模擬/數字轉換為14位分辨率；采樣頻率為1000Hz。電極為Ag/AgCl醫用傳感電極(N-OO-S，Ambu，Danmark)直徑為6 mm。4個采集通道分別為：左側頸豎脊肌(left cervicalerector spinae，LCES)、右側頸豎脊肌(right cervical erectorspinae，RCES)、左側斜方肌上支(left upper trapezium，LUT)、右側斜方肌上支(right upper trapezium，RUT)。
電極粘貼：粘貼前使用75％的醫用乙醇棉球反復擦拭粘貼部位皮膚，使皮膚阻抗＜5后將一次性電極成對地粘貼在相應位置，斜方肌上支電極位置為第7頸椎椎突與肩峰連線中點；頸豎脊肌位置為第5頸椎椎突水平距中線1 cm處。每對電極中心點間隔2 cm。
1．2．2原始肌電信號的采集和處理
本實驗為現場研究，采集并記錄兩組受試者200 min工作期間雙側頸豎脊肌(LCES和RCES)、雙側斜方肌(LUT和RUT)的原始肌電信號。對原始肌電信號采用線性分析。時域指標為電活動水平(electricalactivity，EA)。EA是通過對原始肌電信號進行低通濾波和平滑修正(取絕對值)后，取特定時間長度窗口振幅的均值，單位是μv。頻域指標為中位頻率(median frequency，MF)。通過頻譜振幅聯合分析(joint of amplitude and spectrum analysis，JASA)。計算每分鐘EA隨時間變化的斜率(EAslope)和每分鐘MF隨時間變化的斜率(MF slope)。JASA方法先由Goran Hsgg和Alwin Luttman提出，通過計算同一時段內的振幅參數和頻譜參數與時間的回歸曲線的斜率，然后把計算得的斜率在以振幅斜率為x軸，頻譜斜率為y軸的4個象限中點出。4個象限表示肌肉活動的4個狀態，從1～4象限分別表示為：肌力增加、恢復、肌力減少和疲勞。
1．2．3統計方法
統計分析使用SAS9．1軟件，無癥狀組和癥狀組EA和MF隨時間變化斜率使用線性回歸方法；EA slope與MF slope在JASA圖上個象限出現的頻數比較實用Kruskal-Wallis檢驗；兩組在JASA圖各象限中時間賦值差異使用方差分析SNK檢驗。
2結果
2．1兩組測試肌肉的EA slope與MF slope交點在JASA圖各象限中出現頻數分析
LCES、RCES、LUT和RUT的EA slope與MFslope的交點在JASA圖中的分布見圖1～圖4。無癥狀組JASA圖四象限點的分布無差異；對照組JASA圖四象限中EA slope與ME slope交點分布有差異(χ2=46．08，P<0．01)。對兩組測試肌肉在JASA圖分布進行Kruskal-Wallis檢驗后，LCES和RCES在第2象限分布有差異(χ2LCES=5．35，P<0．05；χ2RCES=9．36，P<0．01)LUT和RUT差異無顯著性；兩組LCES和RCES的EA slope與ME slope交點在第4象限分布有差異(χ2LCES=5．63，P<0．05；χ2RCES=5．93，P<0．01)LUT和RUT無顯著性差異。
2．2兩組測試肌肉的EA slope與MF slope交點在JASA圖中時間賦值分布
LCES、RCES、LUT和RUT的EA slope與MF slope的交點在JASA圖中時間賦值分析，無癥狀組JASA圖四象限點的分布無差異；對照組JASA圖四象限中EA slope與MF slope交點時間賦值經方差分析有差異，見表1。對兩組測試肌肉EA slope與MF slope交點在JASA圖四象限時間賦值進行析因設計方差分析，獲得該模型有統計學意義(F=2．52，P<0．05)但兩組在JASA圖上整體時間賦值無差異(F=0．63，P>0．05)而癥狀組和無癥狀組EA slope與MF slope交點在JASA圖四象限中時間賦值分布有差異(F=5．43，P<0．01)。
3討論
相關研究表明，肌肉持續的靜力收縮是頸部疼痛的危險因素，其定義為在某一特定時段中肌肉活動水平低于10％大的自主收縮力(maximalvoluntary contraction，MVC)或低于10個百分位數的振幅概率分布值(amplitude probabilitydistribution function，APDF)。在前期研究中我們已得知在200min的縫紉機操作工作中，縫紉女工雙側頸豎脊肌和雙側斜方肌上支的APDF值分別為(6．78±1．05)％MVC、(6．94±1．12)％MVC、(5．68±2．56)％MVC和(6．47±3．22)％MVC，從而頸肩部肌肉在縫紉操作工作中屬于低負荷水平靜力作業。
肌肉負荷<10％MVC的職業活動中肌電信號的變化規律未知，傳統的肌電信號分析方法未能獲得一致性的認可，其主要原因是肌肉持續低負荷水平收縮時肌肉疲勞機制尚不清楚。持續低負荷水平引起肌肉疲勞機制研究中，“灰姑娘”假說(Cinderella hypothesis)日益受到證實和承認。該假說認為在低負荷作業水平下，低閾值運動單位(low-threshold motor unit)就像灰姑娘一樣早起床晚休息，整天不停的工作。這些低閾值運動單位長時間運作，不能獲得充足的休息，導致肌肉疲勞，因而產生肌肉疼痛。但在持續低負荷水平作業中，這些低閾值運動單位激活、募集機制尚不清楚，對所采集的肌電信號變化是生物力改變還是生理疲勞發生所導致的亦尚不明確。因此，對低負荷在實際工作環境中使用sEMG技術對肌肉疲勞進行研究時，需要在原有分析方法的基礎上發展或開辟更準確的評價手段，需要對時域分析和頻域分析的分析指標進行數據挖掘，排除肌肉力/力矩干擾獲得真的疲勞信號。為此學者們提出了兩種更深入的評價肌肉負荷和應激的方法：暴露變量分析(exposure variation analysis，EVA)和JASA分析。EVA是用來反應肌肉負荷的，是APDF方法的發展，而JASA則可用生物力學干擾分析肌肉疲勞。本研究主要使用JASA分析方法并對該方法進行改進。先計算無癥狀組和癥狀組LCES、RCES、LUT和RUT振幅指標EA和頻譜指標MF的每分鐘斜率，然后該分鐘兩個指標斜率在JASA圖中點出，同時該點也表明此分鐘的肌肉狀態。JASA圖中各象限點出現的頻數表示肌肉在該狀態時間的長短，但不能指示出現的先后時序，同時，我們給JASA圖中出現的點進行賦值，按照時間序列賦值，值越大說明出現的時間越晚，值越小說明該狀態出現得早。EA slope和MF slope交點在4個象限出現頻數分析得知無癥狀組CES的EA slope和MF slope交點在JASA圖在4個象限出現頻數較均勻，出現在第2象限和第3象限的頻數和值略高于1和4象限，即在連續的縫紉機操作工作中CES在恢復階段和肌力增加時間較多。癥狀組交點出現頻數在JASA圖在4個象限中分布不均，如圖1～圖4。Luttmann等使用JASA方法對泌尿外科手術醫生斜方肌進行干預實驗，認為增加顯示屏后，外科醫生手術姿勢更舒服，手術期間斜方肌振幅指標和頻譜指標交點在JASA途中分布更均勻，肌肉對外部姿勢負荷反應更及時并對比干預前后第4象限交點分布，干預后第4象限即疲勞象限交點分布減少。對JASA圖中點進行時間賦值，無癥狀組在JASA4個象限中時間賦值無差異，癥狀組第4象限中有差異，總體來說第4象限大值見表1。說明癥狀組測試肌肉疲勞出現比較晚，與頻數相比較可見，癥狀組各個測試肌肉在疲勞象限中持續時間長，出現頻數高，隨著工作時間延長，頸肩肌肉多處于疲勞狀態。
目前，肌電信號與肌肉骨骼疾患之間關系的研究成為相關領域的熱點和難點。部分研究認為EMG帶寬(EMG-gap)的數量和總持續時間可用來指示肌肉疲勞，并認為工作過程中EMG-gap的減少預示肌炎的發生。一些臨床研究如頸肩部疼痛患者前屈時CES肌肉耐力下降，頸痛病人的肌纖維由Ⅰ型向Ⅱb型轉變，Ⅱ型肌纖維占主要地位，肌肉耐力下降且易疲勞。本研究認為，EA slope和MF slope交點無論是頻數還是時間賦值在JASA圖在4個象限分布不均而且第四象限點或值占大比例是WRMSDs-NS的sEMG信號特征。無癥狀組頸肩部肌肉在工作負荷狀態能適當的應付負荷，隨著工作時間的延長，可以調控肌肉狀態。有頸部疼痛或癥狀者，頸部肌肉隨著工作負荷增加肌肉耐力下降，疲勞時間增加且延長，同時這些研究也都證明了頸部肌肉疲勞與頸部疼痛和疾患的關系，而這種關系可以通過JASA圖上點的分布指示。
4結論
本研究認為一定時段振幅指標和頻譜指標的斜率交點在JASA圖第4象限中頻數分布和時間賦值分布不均勻是頸肩部肌肉骨骼疾患的肌電信號特征，同時JASA圖可以成為監測工作相關頸肩肌肉骨骼疾患的手段。