张非若王生王波陶鑫何丽华成波
《中国生物医学工程学报》2012年03期
【作者单位】：清华大学汽车安全与节能国家重点实验室；
北京大学医学部公共卫生学院；
摘要：
探讨低负荷作业水平下颈肩肌肉骨骼疾患的特征性肌电信号。
使用北欧肌肉骨骼疾患问卷将24名缝纫女工分为症状组和无症状组。采用表面肌电图技术（sEMG）连续记录两组女工在缝纫操作时双侧颈竖脊肌（LCES和RCES）、双侧上斜方肌（LUT和RUT）200 min的肌电信号。肌电的时域指标以电活性（EA）表示，频域指标为中位频率（MF），并计算每分钟EA随时间变化的斜率（EA slope）和每分钟MF随时间变化的斜率（MF slope）。通过频谱振幅联合分析（JASA），统计测试肌肉EA slope与MF slope交点在JASA图中的频数和时间赋值。
结果表明：
无症状组测试肌肉EAslope与MF slope交点在JASA图各象限分布均匀，差异无显著性；症状组在JASA图各象限分布频数的差异有显著性（χ2=46.08，P＜0.01）。
两组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）中频数分布差异有显著性。
LUT和RUT在这两个象限中频数分布差异无显著性。
EA slope与MFslope的交点在JASA图中时间赋值分析表明，无症状组肌电在JASA图4个象限点的分布差异经方差分析显示无显著性；症状组则差异有显著性（FLCES=2.29，P＜0.05；FRCES=4.02，P＜0.01；FLUT=3.39，P＜0.05；FRUT=4.98，P＜0.01）。两组EA slope与MFslope交点在JASA图4个象限中时间赋值分布有显著性差异（F=5.43，P＜0.01）。振幅指标和频谱指标的斜率交点在JASA图第4象限分布不均，是颈肩部肌肉骨骼疾患肌电信号的特征性变化。
引言
有关研究证明颈肩肌肉骨骼疾患(work-related musculoskeletal disorders ofneck-shoulder，WRMSDs-NS)在坐姿作业职业人群中高发。研究表明坐姿作业中颈部肌肉起维持头部姿势稳定作用的这些肌肉能耗不高但静力负荷大，长时间维持持续募集和激活易引起肌肉疲劳。长期的、不能获得有效恢复的肌肉疲劳会导致颈部，肩部疼痛，酸胀引起WRMSDs-NS。近几十年来，表面肌电图技术(surfaceelectromyography，sEMG)已经成为评价肌肉功能的必要手段和仅有的定量方法，是用于评价肌肉负荷水平和功能状态的有力工具，因其无创性和客观性已广泛应用于康复学、运动学、生理学、医学和工效学等学科。
通过sEMG所获得的肌电信号为一维时间序列信号，表现为类噪声的高斯分布信号，肌肉等长收缩时，肌电信号疲劳特征为振幅指标的增大和/或频谱左移。但目前对肌肉动态收缩和持续低负荷水平作业条件下的肌电信号研究尚无一致性，肌电信号特征性分析尚无统一公认的指标。本研究以有、无颈肩疼痛症状的两组缝纫机操作女工为研究对象，采集并分析持续工作期间其双侧颈竖脊肌(left/right cervical erector spinae，LCES/RCES)、双侧斜方肌上支(left/right upper trapezius，LUT/RUT)的肌电信号，对比其肌电信号在连续的缝纫操作过程中的变化，获取能够指示颈肩肌肉骨骼疾患的特征信号。
1对象和方法
1．1受试对象
本实验使用北欧肌肉骨骼疾患问卷(nordicmusculoskeletal disorders questionnaire，NMDQ)将24名缝纫机操作女工分为症状组(12名)和无症状组(12名)。分组标准为：在标准化的NMDQ躯干图上标出颈肩部疼痛，近1年疼痛累积超过3个月或近1周内累积超过1天或测试当天出现疼痛，疼痛等级评分>2。
1．2方法
1．2．1表面肌电图设备和电极粘贴
表面肌电信号采集和测力设备为芬兰MAGA公司出产的4通道肌电采样仪Mega ME6000。测量方式为在线实时测量；前置放大器为模拟差分放大；滤波处理采用低通双极模拟信号处理系统，滤波器范围为8～500 Hz；灵敏度为1μv；共模抑制比(CMRR)为110dB，大的飘移噪声绝对值为1．6μv，模拟/数字转换为14位分辨率；采样频率为1000Hz。电极为Ag/AgCl医用传感电极(N-OO-S，Ambu，Danmark)直径为6 mm。4个采集通道分别为：左侧颈竖脊肌(left cervicalerector spinae，LCES)、右侧颈竖脊肌(right cervical erectorspinae，RCES)、左侧斜方肌上支(left upper trapezium，LUT)、右侧斜方肌上支(right upper trapezium，RUT)。
电极粘贴：粘贴前使用75％的医用乙醇棉球反复擦拭粘贴部位皮肤，使皮肤阻抗＜5后将一次性电极成对地粘贴在相应位置，斜方肌上支电极位置为第7颈椎椎突与肩峰连线中点；颈竖脊肌位置为第5颈椎椎突水平距中线1 cm处。每对电极中心点间隔2 cm。
1．2．2原始肌电信号的采集和处理
本实验为现场研究，采集并记录两组受试者200 min工作期间双侧颈竖脊肌(LCES和RCES)、双侧斜方肌(LUT和RUT)的原始肌电信号。对原始肌电信号采用线性分析。时域指标为电活动水平(electricalactivity，EA)。EA是通过对原始肌电信号进行低通滤波和平滑修正(取绝对值)后，取特定时间长度窗口振幅的均值，单位是μv。频域指标为中位频率(median frequency，MF)。通过频谱振幅联合分析(joint of amplitude and spectrum analysis，JASA)。计算每分钟EA随时间变化的斜率(EAslope)和每分钟MF随时间变化的斜率(MF slope)。JASA方法先由Goran Hsgg和Alwin Luttman提出，通过计算同一时段内的振幅参数和频谱参数与时间的回归曲线的斜率，然后把计算得的斜率在以振幅斜率为x轴，频谱斜率为y轴的4个象限中点出。4个象限表示肌肉活动的4个状态，从1～4象限分别表示为：肌力增加、恢复、肌力减少和疲劳。
1．2．3统计方法
统计分析使用SAS9．1软件，无症状组和症状组EA和MF随时间变化斜率使用线性回归方法；EA slope与MF slope在JASA图上个象限出现的频数比较实用Kruskal-Wallis检验；两组在JASA图各象限中时间赋值差异使用方差分析SNK检验。
2结果
2．1两组测试肌肉的EA slope与MF slope交点在JASA图各象限中出现频数分析
LCES、RCES、LUT和RUT的EA slope与MFslope的交点在JASA图中的分布见图1～图4。无症状组JASA图四象限点的分布无差异；对照组JASA图四象限中EA slope与ME slope交点分布有差异(χ2=46．08，P<0．01)。对两组测试肌肉在JASA图分布进行Kruskal-Wallis检验后，LCES和RCES在第2象限分布有差异(χ2LCES=5．35，P<0．05；χ2RCES=9．36，P<0．01)LUT和RUT差异无显著性；两组LCES和RCES的EA slope与ME slope交点在第4象限分布有差异(χ2LCES=5．63，P<0．05；χ2RCES=5．93，P<0．01)LUT和RUT无显著性差异。
2．2两组测试肌肉的EA slope与MF slope交点在JASA图中时间赋值分布
LCES、RCES、LUT和RUT的EA slope与MF slope的交点在JASA图中时间赋值分析，无症状组JASA图四象限点的分布无差异；对照组JASA图四象限中EA slope与MF slope交点时间赋值经方差分析有差异，见表1。对两组测试肌肉EA slope与MF slope交点在JASA图四象限时间赋值进行析因设计方差分析，获得该模型有统计学意义(F=2．52，P<0．05)但两组在JASA图上整体时间赋值无差异(F=0．63，P>0．05)而症状组和无症状组EA slope与MF slope交点在JASA图四象限中时间赋值分布有差异(F=5．43，P<0．01)。
3讨论
相关研究表明，肌肉持续的静力收缩是颈部疼痛的危险因素，其定义为在某一特定时段中肌肉活动水平低于10％大的自主收缩力(maximalvoluntary contraction，MVC)或低于10个百分位数的振幅概率分布值(amplitude probabilitydistribution function，APDF)。在前期研究中我们已得知在200min的缝纫机操作工作中，缝纫女工双侧颈竖脊肌和双侧斜方肌上支的APDF值分别为(6．78±1．05)％MVC、(6．94±1．12)％MVC、(5．68±2．56)％MVC和(6．47±3．22)％MVC，从而颈肩部肌肉在缝纫操作工作中属于低负荷水平静力作业。
肌肉负荷<10％MVC的职业活动中肌电信号的变化规律未知，传统的肌电信号分析方法未能获得一致性的认可，其主要原因是肌肉持续低负荷水平收缩时肌肉疲劳机制尚不清楚。持续低负荷水平引起肌肉疲劳机制研究中，“灰姑娘”假说(Cinderella hypothesis)日益受到证实和承认。该假说认为在低负荷作业水平下，低阈值运动单位(low-threshold motor unit)就像灰姑娘一样早起床晚休息，整天不停的工作。这些低阈值运动单位长时间运作，不能获得充足的休息，导致肌肉疲劳，因而产生肌肉疼痛。但在持续低负荷水平作业中，这些低阈值运动单位激活、募集机制尚不清楚，对所采集的肌电信号变化是生物力改变还是生理疲劳发生所导致的亦尚不明确。因此，对低负荷在实际工作环境中使用sEMG技术对肌肉疲劳进行研究时，需要在原有分析方法的基础上发展或开辟更准确的评价手段，需要对时域分析和频域分析的分析指标进行数据挖掘，排除肌肉力/力矩干扰获得真的疲劳信号。为此学者们提出了两种更深入的评价肌肉负荷和应激的方法：暴露变量分析(exposure variation analysis，EVA)和JASA分析。EVA是用来反应肌肉负荷的，是APDF方法的发展，而JASA则可用生物力学干扰分析肌肉疲劳。本研究主要使用JASA分析方法并对该方法进行改进。先计算无症状组和症状组LCES、RCES、LUT和RUT振幅指标EA和频谱指标MF的每分钟斜率，然后该分钟两个指标斜率在JASA图中点出，同时该点也表明此分钟的肌肉状态。JASA图中各象限点出现的频数表示肌肉在该状态时间的长短，但不能指示出现的先后时序，同时，我们给JASA图中出现的点进行赋值，按照时间序列赋值，值越大说明出现的时间越晚，值越小说明该状态出现得早。EA slope和MF slope交点在4个象限出现频数分析得知无症状组CES的EA slope和MF slope交点在JASA图在4个象限出现频数较均匀，出现在第2象限和第3象限的频数和值略高于1和4象限，即在连续的缝纫机操作工作中CES在恢复阶段和肌力增加时间较多。症状组交点出现频数在JASA图在4个象限中分布不均，如图1～图4。Luttmann等使用JASA方法对泌尿外科手术医生斜方肌进行干预实验，认为增加显示屏后，外科医生手术姿势更舒服，手术期间斜方肌振幅指标和频谱指标交点在JASA途中分布更均匀，肌肉对外部姿势负荷反应更及时并对比干预前后第4象限交点分布，干预后第4象限即疲劳象限交点分布减少。对JASA图中点进行时间赋值，无症状组在JASA4个象限中时间赋值无差异，症状组第4象限中有差异，总体来说第4象限大值见表1。说明症状组测试肌肉疲劳出现比较晚，与频数相比较可见，症状组各个测试肌肉在疲劳象限中持续时间长，出现频数高，随着工作时间延长，颈肩肌肉多处于疲劳状态。
目前，肌电信号与肌肉骨骼疾患之间关系的研究成为相关领域的热点和难点。部分研究认为EMG带宽(EMG-gap)的数量和总持续时间可用来指示肌肉疲劳，并认为工作过程中EMG-gap的减少预示肌炎的发生。一些临床研究如颈肩部疼痛患者前屈时CES肌肉耐力下降，颈痛病人的肌纤维由Ⅰ型向Ⅱb型转变，Ⅱ型肌纤维占主要地位，肌肉耐力下降且易疲劳。本研究认为，EA slope和MF slope交点无论是频数还是时间赋值在JASA图在4个象限分布不均而且第四象限点或值占大比例是WRMSDs-NS的sEMG信号特征。无症状组颈肩部肌肉在工作负荷状态能适当的应付负荷，随着工作时间的延长，可以调控肌肉状态。有颈部疼痛或症状者，颈部肌肉随着工作负荷增加肌肉耐力下降，疲劳时间增加且延长，同时这些研究也都证明了颈部肌肉疲劳与颈部疼痛和疾患的关系，而这种关系可以通过JASA图上点的分布指示。
4结论
本研究认为一定时段振幅指标和频谱指标的斜率交点在JASA图第4象限中频数分布和时间赋值分布不均匀是颈肩部肌肉骨骼疾患的肌电信号特征，同时JASA图可以成为监测工作相关颈肩肌肉骨骼疾患的手段。