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張非若王生王波陶鑫何麗華成波
《中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)》2012年03期
【作者單位】：清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；
北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部公共衛(wèi)生學(xué)院；
摘要：
探討低負(fù)荷作業(yè)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(shù)（sEMG）連續(xù)記錄兩組女工在縫紉操作時(shí)雙側(cè)頸豎脊?。↙CES和RCES）、雙側(cè)上斜方?。↙UT和RUT）200 min的肌電信號。肌電的時(shí)域指標(biāo)以電活性（EA）表示，頻域指標(biāo)為中位頻率（MF），并計(jì)算每分鐘EA隨時(shí)間變化的斜率（EA slope）和每分鐘MF隨時(shí)間變化的斜率（MF slope）。通過頻譜振幅聯(lián)合分析（JASA），統(tǒng)計(jì)測試肌肉EA slope與MF slope交點(diǎn)在JASA圖中的頻數(shù)和時(shí)間賦值。
結(jié)果表明：
無癥狀組測試肌肉EAslope與MF slope交點(diǎn)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(shù)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(shù)分布差異有顯著性。
LUT和RUT在這兩個(gè)象限中頻數(shù)分布差異無顯著性。
EA slope與MFslope的交點(diǎn)在JASA圖中時(shí)間賦值分析表明，無癥狀組肌電在JASA圖4個(gè)象限點(diǎn)的分布差異經(jīng)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(diǎn)在JASA圖4個(gè)象限中時(shí)間賦值分布有顯著性差異（F=5.43，P＜0.01）。振幅指標(biāo)和頻譜指標(biāo)的斜率交點(diǎn)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(guān)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(yè)職業(yè)人群中高發(fā)。研究表明坐姿作業(yè)中頸部肌肉起維持頭部姿勢穩(wěn)定作用的這些肌肉能耗不高但靜力負(fù)荷大，長時(shí)間維持持續(xù)募集和激活易引起肌肉疲勞。長期的、不能獲得有效恢復(fù)的肌肉疲勞會導(dǎo)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(shù)(surfaceelectromyography，sEMG)已經(jīng)成為評價(jià)肌肉功能的必要手段和僅有的定量方法，是用于評價(jià)肌肉負(fù)荷水平和功能狀態(tài)的有力工具，因其無創(chuàng)性和客觀性已廣泛應(yīng)用于康復(fù)學(xué)、運(yùn)動學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)和工效學(xué)等學(xué)科。
通過sEMG所獲得的肌電信號為一維時(shí)間序列信號，表現(xiàn)為類噪聲的高斯分布信號，肌肉等長收縮時(shí)，肌電信號疲勞特征為振幅指標(biāo)的增大和/或頻譜左移。但目前對肌肉動態(tài)收縮和持續(xù)低負(fù)荷水平作業(yè)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(tǒng)一公認(rèn)的指標(biāo)。本研究以有、無頸肩疼痛癥狀的兩組縫紉機(jī)操作女工為研究對象，采集并分析持續(xù)工作期間其雙側(cè)頸豎脊肌(left/right cervical erector spinae，LCES/RCES)、雙側(cè)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(xù)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(shí)驗(yàn)使用北歐肌肉骨骼疾患問卷(nordicmusculoskeletal disorders questionnaire，NMDQ)將24名縫紉機(jī)操作女工分為癥狀組(12名)和無癥狀組(12名)。分組標(biāo)準(zhǔn)為：在標(biāo)準(zhǔn)化的NMDQ軀干圖上標(biāo)出頸肩部疼痛，近1年疼痛累積超過3個(gè)月或近1周內(nèi)累積超過1天或測試當(dāng)天出現(xiàn)疼痛，疼痛等級評分>2。
1．2方法
1．2．1表面肌電圖設(shè)備和電極粘貼
表面肌電信號采集和測力設(shè)備為芬蘭MAGA公司出產(chǎn)的4通道肌電采樣儀Mega ME6000。測量方式為在線實(shí)時(shí)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(tǒng)，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(shù)字轉(zhuǎn)換為14位分辨率；采樣頻率為1000Hz。電極為Ag/AgCl醫(yī)用傳感電極(N-OO-S，Ambu，Danmark)直徑為6 mm。4個(gè)采集通道分別為：左側(cè)頸豎脊肌(left cervicalerector spinae，LCES)、右側(cè)頸豎脊肌(right cervical erectorspinae，RCES)、左側(cè)斜方肌上支(left upper trapezium，LUT)、右側(cè)斜方肌上支(right upper trapezium，RUT)。
電極粘貼：粘貼前使用75％的醫(yī)用乙醇棉球反復(fù)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(yīng)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(diǎn)；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(diǎn)間隔2 cm。
1．2．2原始肌電信號的采集和處理
本實(shí)驗(yàn)為現(xiàn)場研究，采集并記錄兩組受試者200 min工作期間雙側(cè)頸豎脊肌(LCES和RCES)、雙側(cè)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(shí)域指標(biāo)為電活動水平(electricalactivity，EA)。EA是通過對原始肌電信號進(jìn)行低通濾波和平滑修正(取絕對值)后，取特定時(shí)間長度窗口振幅的均值，單位是μv。頻域指標(biāo)為中位頻率(median frequency，MF)。通過頻譜振幅聯(lián)合分析(joint of amplitude and spectrum analysis，JASA)。計(jì)算每分鐘EA隨時(shí)間變化的斜率(EAslope)和每分鐘MF隨時(shí)間變化的斜率(MF slope)。JASA方法先由Goran Hsgg和Alwin Luttman提出，通過計(jì)算同一時(shí)段內(nèi)的振幅參數(shù)和頻譜參數(shù)與時(shí)間的回歸曲線的斜率，然后把計(jì)算得的斜率在以振幅斜率為x軸，頻譜斜率為y軸的4個(gè)象限中點(diǎn)出。4個(gè)象限表示肌肉活動的4個(gè)狀態(tài)，從1～4象限分別表示為：肌力增加、恢復(fù)、肌力減少和疲勞。
1．2．3統(tǒng)計(jì)方法
統(tǒng)計(jì)分析使用SAS9．1軟件，無癥狀組和癥狀組EA和MF隨時(shí)間變化斜率使用線性回歸方法；EA slope與MF slope在JASA圖上個(gè)象限出現(xiàn)的頻數(shù)比較實(shí)用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)；兩組在JASA圖各象限中時(shí)間賦值差異使用方差分析SNK檢驗(yàn)。
2結(jié)果
2．1兩組測試肌肉的EA slope與MF slope交點(diǎn)在JASA圖各象限中出現(xiàn)頻數(shù)分析
LCES、RCES、LUT和RUT的EA slope與MFslope的交點(diǎn)在JASA圖中的分布見圖1～圖4。無癥狀組JASA圖四象限點(diǎn)的分布無差異；對照組JASA圖四象限中EA slope與ME slope交點(diǎn)分布有差異(χ2=46．08，P<0．01)。對兩組測試肌肉在JASA圖分布進(jìn)行Kruskal-Wallis檢驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)在JASA圖中時(shí)間賦值分布
LCES、RCES、LUT和RUT的EA slope與MF slope的交點(diǎn)在JASA圖中時(shí)間賦值分析，無癥狀組JASA圖四象限點(diǎn)的分布無差異；對照組JASA圖四象限中EA slope與MF slope交點(diǎn)時(shí)間賦值經(jīng)方差分析有差異，見表1。對兩組測試肌肉EA slope與MF slope交點(diǎn)在JASA圖四象限時(shí)間賦值進(jìn)行析因設(shè)計(jì)方差分析，獲得該模型有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=2．52，P<0．05)但兩組在JASA圖上整體時(shí)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(diǎn)在JASA圖四象限中時(shí)間賦值分布有差異(F=5．43，P<0．01)。
3討論
相關(guān)研究表明，肌肉持續(xù)的靜力收縮是頸部疼痛的危險(xiǎn)因素，其定義為在某一特定時(shí)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(gè)百分位數(shù)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(jī)操作工作中，縫紉女工雙側(cè)頸豎脊肌和雙側(cè)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(fù)荷水平靜力作業(yè)。
肌肉負(fù)荷<10％MVC的職業(yè)活動中肌電信號的變化規(guī)律未知，傳統(tǒng)的肌電信號分析方法未能獲得一致性的認(rèn)可，其主要原因是肌肉持續(xù)低負(fù)荷水平收縮時(shí)肌肉疲勞機(jī)制尚不清楚。持續(xù)低負(fù)荷水平引起肌肉疲勞機(jī)制研究中，“灰姑娘”假說(Cinderella hypothesis)日益受到證實(shí)和承認(rèn)。該假說認(rèn)為在低負(fù)荷作業(yè)水平下，低閾值運(yùn)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(yùn)動單位長時(shí)間運(yùn)作，不能獲得充足的休息，導(dǎo)致肌肉疲勞，因而產(chǎn)生肌肉疼痛。但在持續(xù)低負(fù)荷水平作業(yè)中，這些低閾值運(yùn)動單位激活、募集機(jī)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(fā)生所導(dǎo)致的亦尚不明確。因此，對低負(fù)荷在實(shí)際工作環(huán)境中使用sEMG技術(shù)對肌肉疲勞進(jìn)行研究時(shí)，需要在原有分析方法的基礎(chǔ)上發(fā)展或開辟更準(zhǔn)確的評價(jià)手段，需要對時(shí)域分析和頻域分析的分析指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，排除肌肉力/力矩干擾獲得真的疲勞信號。為此學(xué)者們提出了兩種更深入的評價(jià)肌肉負(fù)荷和應(yīng)激的方法：暴露變量分析(exposure variation analysis，EVA)和JASA分析。EVA是用來反應(yīng)肌肉負(fù)荷的，是APDF方法的發(fā)展，而JASA則可用生物力學(xué)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(jìn)行改進(jìn)。先計(jì)算無癥狀組和癥狀組LCES、RCES、LUT和RUT振幅指標(biāo)EA和頻譜指標(biāo)MF的每分鐘斜率，然后該分鐘兩個(gè)指標(biāo)斜率在JASA圖中點(diǎn)出，同時(shí)該點(diǎn)也表明此分鐘的肌肉狀態(tài)。JASA圖中各象限點(diǎn)出現(xiàn)的頻數(shù)表示肌肉在該狀態(tài)時(shí)間的長短，但不能指示出現(xiàn)的先后時(shí)序，同時(shí)，我們給JASA圖中出現(xiàn)的點(diǎn)進(jìn)行賦值，按照時(shí)間序列賦值，值越大說明出現(xiàn)的時(shí)間越晚，值越小說明該狀態(tài)出現(xiàn)得早。EA slope和MF slope交點(diǎn)在4個(gè)象限出現(xiàn)頻數(shù)分析得知無癥狀組CES的EA slope和MF slope交點(diǎn)在JASA圖在4個(gè)象限出現(xiàn)頻數(shù)較均勻，出現(xiàn)在第2象限和第3象限的頻數(shù)和值略高于1和4象限，即在連續(xù)的縫紉機(jī)操作工作中CES在恢復(fù)階段和肌力增加時(shí)間較多。癥狀組交點(diǎn)出現(xiàn)頻數(shù)在JASA圖在4個(gè)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(shù)醫(yī)生斜方肌進(jìn)行干預(yù)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為增加顯示屏后，外科醫(yī)生手術(shù)姿勢更舒服，手術(shù)期間斜方肌振幅指標(biāo)和頻譜指標(biāo)交點(diǎn)在JASA途中分布更均勻，肌肉對外部姿勢負(fù)荷反應(yīng)更及時(shí)并對比干預(yù)前后第4象限交點(diǎn)分布，干預(yù)后第4象限即疲勞象限交點(diǎn)分布減少。對JASA圖中點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間賦值，無癥狀組在JASA4個(gè)象限中時(shí)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(xiàn)比較晚，與頻數(shù)相比較可見，癥狀組各個(gè)測試肌肉在疲勞象限中持續(xù)時(shí)間長，出現(xiàn)頻數(shù)高，隨著工作時(shí)間延長，頸肩肌肉多處于疲勞狀態(tài)。
目前，肌電信號與肌肉骨骼疾患之間關(guān)系的研究成為相關(guān)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。部分研究認(rèn)為EMG帶寬(EMG-gap)的數(shù)量和總持續(xù)時(shí)間可用來指示肌肉疲勞，并認(rèn)為工作過程中EMG-gap的減少預(yù)示肌炎的發(fā)生。一些臨床研究如頸肩部疼痛患者前屈時(shí)CES肌肉耐力下降，頸痛病人的肌纖維由Ⅰ型向Ⅱb型轉(zhuǎn)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(rèn)為，EA slope和MF slope交點(diǎn)無論是頻數(shù)還是時(shí)間賦值在JASA圖在4個(gè)象限分布不均而且第四象限點(diǎn)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(fù)荷狀態(tài)能適當(dāng)?shù)膽?yīng)付負(fù)荷，隨著工作時(shí)間的延長，可以調(diào)控肌肉狀態(tài)。有頸部疼痛或癥狀者，頸部肌肉隨著工作負(fù)荷增加肌肉耐力下降，疲勞時(shí)間增加且延長，同時(shí)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(guān)系，而這種關(guān)系可以通過JASA圖上點(diǎn)的分布指示。
4結(jié)論
本研究認(rèn)為一定時(shí)段振幅指標(biāo)和頻譜指標(biāo)的斜率交點(diǎn)在JASA圖第4象限中頻數(shù)分布和時(shí)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(shí)JASA圖可以成為監(jiān)測工作相關(guān)頸肩肌肉骨骼疾患的手段。