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运动性肌肉疲劳对肌电与脑电相干性分析

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【摘要】大脑是人体的运动中枢，脊髓运动神经元生物电活动受大脑皮层控制产生肌电信号，大脑皮层自发或诱发的脑电活动则称之为脑电信号。探讨二者之间的关系对于深入认识运动性肌肉疲劳的本质具有重要意义，文章据此做简单的实验性分析。

【关键词】运动性肌肉疲劳;肌电;脑电

一、实验阶段

（一）受试者选取

从XX高校随机选取15名健康青年男性志愿者作为受试者，受试者皆无专业体育运动训练经历，且都是右利手;所有受试者在实验前需接受问卷调查，确保受试者身体健康状况良好。

（二）实验程序

正式实验进行之前，受试者坐在座椅上，上身保持直立，分别调节座椅高度和身体姿势，使得髋、膝、踝关节保持90°，双脚平放于地面。右前臂与右上臂保持垂直，右上臂与水平面保持垂直，另一侧手臂自然下垂于体侧。嘱咐受试者身体保持放松，内心保持平静，记录受试者在安静状态自由眨眼20次过程中的眼电和脑电活动，已备后期去除眼电伪迹时用。之后进行屈肘疲劳负荷实验。受试者在保持实验开始前准备姿势的条件下，使受试者右臂腕部拉住可在肘关节处产生20%MVC的重物，至受试者不能坚持负荷运动任务时结束实验。记录静态屈肘疲劳负荷过程中受试者肱二头肌表面肌电信号及脑电信号。

（三）表面肌电信号采集

记录实验过程中受试者右侧肱二头肌表面肌电信号。放置电极前利用磨砂膏打磨皮肤表面以去除角质和表面污垢，之后用75%酒精棉球清理皮肤表面，以减小阻抗。利用医用胶带将测试电极置于右侧肱二头肌肌腹表面，两电极间距2cm。通过注射针管往每个肌电测试电极内注入导电膏，并通过导联电阻监测图了解测试导联与皮肤的接触情况。实验过程中保证2个测试肌电电极的电阻低于10000Ω，SEMG采样频率设置为2000HZ，带通滤波1～1000HZ。

（四）脑电信号采集

按照国际10/20系统安放电极。实验时先让受试者带上电极帽，并将具有松紧性的电极帽套罩在电极帽上，以增加脑电电极与头皮的接触。通过注射针管往每个脑电电极内注入导电膏，在此过程中通过脑电记录系统自带的脑电导联电阻监测图可以确定脑电导联与头皮的电阻值及接触情况，并根据接触情况对某些特定电极进行处理（在电极表面施加压力、增加注入导电膏量等方法）。实验过程中保证每一脑电导联与头皮接触的电阻低于5000Ω。选取头顶作为参考电极。脑电信号的采集参数设置为：采样频率2000HZ，带通滤波0.01～100HZ。设置脑电信号采集系统参数为50HZ以屏蔽50HZ交流电信号对测试脑电信号的影响。

二、研究数据

静态屈肘疲劳负荷实验过程中肱二头肌SEMG指标随运动时间的变化曲线如图1所示。通过对各受试者疲劳负荷实验运动持续时间进行统计发现，各受试者运动持续时间为364.93±93.92S，其中，运动持续时间的最大值为561.00S，最小值为249.00S。随着静态屈肘运动持续时间的延长，肱二头肌SEMG指标RMS表现出逐渐增大的趋势（P0.05），而MF表现出逐渐减小的趋势（P0.05，图1）。

由图2可知，运动开始、结束阶段内记录的EEG功率谱在α、β、γ频段内的均值分别在3000μV2、2000μV2和1000μV2左右，而开始、结束阶段内记录的SEMG功率谱在α、β、γ频段内的均值则分别在20000μV2、40000μV2和40000μV2左右。运动开始、结束阶段所记录的EEG与SEMG功率谱在α、β、γ频段内的值皆有显著性差异，运动结束阶段内记录的EEG与SEMG功率谱值要显著高于运动开始阶段。

三、讨论阶段

从实验过程中测试肌肉肱二头肌SEMG的变化情况看，时域指标RMS随运动持续时间表现出良好的增加趋势，频域指标MF随运动持续时间表现出逐渐减小的趋势。前期对次最大负荷静态收缩诱发运动性肌肉疲劳引起SEMG指标变化的相关研究表明，RMS随运动持续时间逐渐增加、频域指标MF随运动持续时间逐渐减小，是肌肉在次最大负荷静态收缩诱发局部肌肉疲劳的典型特征。本研究中，RMS、MF随运动持续时间的变化情况一方面反映了疲劳负荷实验过程中神经肌肉系统功能状况的变化;另一方面，也提示本实验疲劳模型设计的科学性和所获实验数据的有效性。

在运动性肌肉疲劳引起参与收缩肌肉SEMG与EEG功率谱能量变化的研究方面，研究表明，在拇收肌进行静态最大自主收缩诱发疲劳后，脑对侧区导联记录EEG振幅RMS都出现增加，其中，RMS在β频段内的值最大，在γ频段内的值最小。30%MVC静态屈肘诱发屈肘肌疲劳运动后半段内测试肌肉SEMG及EEG功率谱能量皆出现显著性的增加，其中，EEG能量在β频段内的增加尤为显著。本研究中，疲劳引起测试肌肉SEMG与EEG能量在各频段皆出现显著性的增加。由于运动性肌肉疲劳中运动皮层、脊髓前角运动神经元激活能力下降及肌肉外周收缩能