（运动人体科学专业论文）动力及静力性肌肉收缩疲劳前后肌电及脑电参数的变化特征.pdf

摘要 目的：研究人体股外侧肌静力性与动力性运动疲劳下的肌电和脑电变化规律，通过与 对不同方式运动时肌电疲劳闽拐点的比较，找出肌电参数与脑电的关系，为脑电用于 疲劳产生机制的研究打下基础，并为康复中肌肉锻炼方式的选择提供可能的理论依 据。 方法：选取武汉体育学院研究生2 0 名，其中体育专业1 0 名，非体育专业1 0 名，分 三天测试，第一天随机抽取受试者作最大肌力m v c 测试和动力性运动，按实验测得的 疲劳阈拐点出现的早晚划分早晚各1 0 名定为a 组( 晚) 和b 组( 早) 进行比较，第 二天对两组测试静力性运动2 3 m v c 负荷，第三天对两组测试静力性运动1 3 m v c 负荷。 实验做到疲劳结束，记录受试者肌电和脑电信号。 结果：动力性运动后按疲劳阈拐点分的a 、b 两组与受试者锻炼情况基本一致，a 组 肌电疲劳阈拐点出现比b 组晚，静力性运动1 3 m v c 负荷下运动初期r m s 上升率比 2 3 m v c 负荷大，不管l 3 m v c 还是2 3 m v c 的负荷脑电q 指数上升的拐点与肌电疲劳 阈吻合。静力性运动脑电指数在疲劳阂拐点后下降，但仍保持较高水平j 且a 组比 b 组下降得快。 结论：( 1 ) 肌电疲劳阈拐点可以评价个人的运动能力( 2 ) 在康复锻炼中选择小强度 负荷要比大强度负荷能达到更好的锻炼效果。( 3 ) 经常锻炼者的脑电疲劳稳定性要比 不经常锻炼者好。( 4 ) 运动单位的募集导致肌肉力量改变的同时大脑皮层的活动也在 发生与之相适应的变化，表明脑电拐点变化可与肌电疲劳阈结合作为检测疲劳的指 标，但其生理机制还需作进一步的研究。 关键词：表面肌电图i e m g 脑电q 指数肌电疲劳阈 a b s t r a c t o b j e c t i v e ：t h i sa r t i c l e f o c u s e so n s t u d y i n g t h e c h a n g e so fe l e c t r o m y o 伊a m a n d e l e c t r o e n c e p h a l o g r a mf o rd i 骶r e n tb u r d e n si 1 1t h ed i 虢r e n tm o d e so fe x e r c i s e w ef i n dt h e i s o c h r o n o u sc h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e nt h e ma n df i n do u tt h ee x e r c i s ee f f e c to nt h e m w et r y t oi l l u m i n a t et h er e l a t i o na n dt h em e c h a n i s mf o r t h ee x p e r i m e n t ，t h e ni tm a ya p p i yt ot h e f a t i g u ea n dt h eh e a l i n gs t u d y ： m e t h o d s ：w 色g a t h e r e d2 0g r a d u a t es t u d e n t si nw u h a ni n s t i t u t i o no fp h y s i c a le d u c a t i o n ， i n c l u d e s1 0s t u d e n t sw h ou s u a u vt a k ee x e r c i s ea n dt h eo t h e r sw h oh a v er e v e r s ec o n d i t i o n i tt o o k3d a y sf o rt h i se x p e r i m e n t o n1 s td a yw ec h o s et h es u b j e c t st oc o m p l e t et h et e s to f m v ca n dd v n a m i ce x e r c i s e ，t h e nc o m p a r e dt h er e s u l tb a s e do n 盯o u paa n dbp a n i t i o n e d b yt h et h e s h o l di nf a t i 舀l ei nt h ee l e c t r o e n c e p h a l o 星，a m 0 n2 n dd a yw ec o m p l e t e dt h et e s t o fs t a t i ce x e r c i s ew i t ht h el o a do f2 3m v c o n3 r dd a vw ec o m p l e t e dt h et e s to fs t a t i c e x e r c i s ew i t ht h e1 0 a do f1 3m v c a ut h et e s t sw e r ee n d e dw h e nt h es u b i e c t sh a v e b e e n t i r e d r e s u l t ：t 1 l e 擘，o u p sp a n i t i o n e db yt h et h r e s h o l di nf a t i g u ea r ec o n s i s t e n tw i t ht h e i rb a s e s i t u a t i o no ft a k ee x e r c i s e t h ei n n e x i o no ft h et 1 1 r e s h o l di nf a t i 擘皿ei n 擘，o u paa p p e a r sl a t e r t h a nt h a ti ng r o u pb t h er i s eo fr m sa tt h eb e g i 衄i n go ft h es t a t i ce x e r c i s ew i t ht h el o a d o f1 3 m v ci sh i g h e rt h a nt h a to f2 3 m v c t h ei n n e x i o no fai n d e xi st h es 锄ea st h e t h r e s h o l di nf 撕g u ei nt h ee l e c t r o e n c e p h a l o 盯a mw i t ha l lt h eb u r d e n t h eai i l d e xi s d e s c e n da f t e rt h et h r e s h o l di nf a t i f w ei nt h es t a t i ce x e r c i s e ，b u ts t i ua tah i g hl e v e l t h e s p e e do fd e s c e n di ng r o u pa i sf a s t e rt h a nt h a ti nf 卵u pb c o n c l u s i o n ：( 1 ) w ec a nu s et h r e s h o l di nf a t i 霉舛ei nt h ee l e c t r o e n c e p h a l o 擘，锄t oe v a l u a t e t h ei n d i v i d u a le x e r c i s ec a p a b i l i t y ( 2 ) w ec a nc h o o s el e s sb u r d e nt oo b t a i l lb e t t e re f i e c ti 1 1 h e a l i n ge x e r c i s e ( 3 ) t h es t a b i l i t yo fe l e c t r o e n c e p h a l o 伊锄f o rt h ep e o p l ew h ou s u a l l yt a k e e x e r c i s ei sb e t t e rt h a nt h a tf b rt h ep e o p l ew h oh a r d l yt a k ee x e r c i s e ( 4 ) t h ea c t i v i t yo f p a l l i u mc h a n g e sw h e nt h ep o w e ro ft h em u s c l ec h a n g e sb ym o t o ru n i t ，i ti i l d i c a t e st h a tw e m a yc o m b i n et h ec h a n g e so fi n f l e x i o ni ne l e c t r o e n c e p h a l o g r a mw i t ht h et h r e s h o l di n f a t i g u e w en e e dm o r es t u d yo nt h ep h y s i o l o g i c a lm e c h a n i s m k e yw o r d s ：e l e c t r o m y o 伊锄，i e m ge l e c t r o e n c e p h a l o 伊a m ，ai n d e x ，t h r e s h o l di nf a t i g u e i nt h ee l e c t r o e n c e p h a l o 伊a m 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下独立进行研究工作取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容和致谢的地方外，论文中不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的研究成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：辑日期：口8 年多月t l 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解武汉体育学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文，并编入有关 数据库。 名：书丝吼。川脚 不同形式运动疲劳前后肌电参数及脑电o 【指数的变化特征 2 0 0 8 年武汉体育学院硕士学位论文 1 前言 有关疲劳研究一直是医学、心理学、运动学等领域研究的重要课题，近些年来更 加受到关注，但是疲劳的概念至今也还没有一个确切的定义。e d w a r d s 将人体疲劳定 义为“不能维持所需要或所预期的力量 ；b o o t h 等人将疲劳定义为“不能在给定的 工作强度下继续工作；g a n d e v i a 将疲劳定义为“由于工作引起的能量或力量供应方 面的损失”。疲劳的生理学定义则是“不能维持工作中特定的输出力量或工作速率， 这种疲劳常被称为“客观疲劳”。疲劳定义的多样化，一方面说明了人体疲劳的复杂 性，另一方面也反映了当今世界对人体疲劳研究的进展程度。 随着科技的不断进步，肌电在疲劳研究中扮演了越来越重要的角色。如今人们对 疲劳的研究越来越深入，在康复医学中，一些骨折后的人经过一段时间的休息而不参 加锻炼很容易造成肌肉萎缩。另外，平时有运动习惯和没有运动习惯的人恢复状况会 有所差异，而且锻炼时选择的负荷也会对恢复情况有一定影响。 由于神经肌电活动方式将兴奋传递至肌肉引起肌电变化并伴随肌肉收缩，探索运 动时肌肉疲劳出现过程中的肌电活动变化规律及特点，是监测运动性肌肉疲劳和研究 疲劳机理必不可少的一种方法。早在1 6 6 6 年法朗漆斯科瑞迪就发现肌肉能产生电 活动，1 9 世纪末就有肌电图用于研究的报道n 3 。但由于肌电活动很微弱，记录很困难， 而且早期的肌电图分析都采用人工测量，工作量极大，结果也欠准确，因此多数情况下， 肌电图仅作定性分析，这大大限制了肌电图的应用。随着科技的进步，记录技术不断提 高，计算机也用于肌电图的定量分析，这使肌电图的准确性和实用性大大提高，极大地 促进了肌肉电生理的研究和发展，也使其在疲劳特别是运动性肌肉疲劳研究中扮演着 越来越重要的角色。 运动性疲劳的e m g 改变受以下因素影响乜3 ：运动方式、运动强度、运动性质( 静 力性、动力性) 、肌肉的收缩方式( 离心、向心收缩) 、所选肌肉、受试者的自身特点、 提取特征量所用的计算方法等。所以，在众多的运动性疲劳e m g 特征的研究中，许多 结论不完全一致。 有关脑电图研究已有近7 0 年的历史，尤其在医学乔的应用已相当广泛，国外对 脑电图( e e g ) 的研究开始很早，而我国是从5 0 年代初期开始的。在运动实践中应用 e e g 研究运动员的高级神经活动是从5 0 年代初期开始的，苏联的施丘米勒研究了运 动员在形成运动技能各阶段时e e g 的变化，马杰耶夫等人研究了运动疲劳时的e e g ， 拉伊特勃克研究了划船运动员在出现极点时脑电图的变化口1 。我国对运动员e e g 的研 不同形式运动疲劳前后肌电参数及脑电o 【指数的变化特征 2 0 0 8 年武汉体育学院硕士学位论文 究开始于5 0 年代后期，并应用e e g 技术进行选材；为一些特殊项目，尤其是容易引 起头部损伤的项目提供健康状况依据；判断运动性疲劳；综合评定运动员机能状态等。 虽然国内外学者应用肌电、脑电方法在各自的研究领域取得了一些成果，但这些 研究在方法学上都是单一的，只是从一个点去了解生理机能变化，事实上运动过程中 人体机能各器官和系统彼此间相互联系又相互影响，构成了一个复杂的体系。所以仅 仅是局部的研究是不够的，这就需要有新的研究方法，多器官、多系统综合研究和分 析生理机能变化内在的本质联系。因此，本研究的目的是： 1 、测定不同强度，不同运动方式肌肉运动疲劳过程中肌电和脑电信号的变化， 观察两者同步变化特征。 2 、比较不同运动能力受试者在不同强度，不同运动方式肌肉运动疲劳过程中肌 电和脑电信号的差异，了解不同运动能力对肌电、脑电的影响。 3 、分析不同强度、不同方式肌肉运动疲劳前后肌电参数和脑电指标之间的关系， 探讨两者之间的内在联系及其机制，为疲劳的监测与恢复提供理论依据。 2 不同形式运动疲劳前后肌电参数及脑电o 【指数的变化特征2 0 0 8 年武汉体育学院硕士学位论文 2 文献综述 2 1 肌电前景 表面肌电图( s u r f a c ee 1e c t r o m y o g r a p h y ，s e m g ) 技术是通过肌电图仪采集肌肉表 面电信号并加以分析的方法，上世纪5 0 年代开始应用于体育科研领域。其在评价疲 劳时有明显的效果，但因操作和分析等方面的难度一直应用较少。9 0 年代后随着信 号分析技术和计算机的结合在此领域日益广泛，肌电图的操作也大大简化，这就有力 地推动了其在体育领域的应用，目前表面肌电技术在运动生物力学分析、运动选材、 运动训练监控与评价、运动创伤康复及运动心理学等领域都有广阔的应用前景。 肌电的产生源于人体细胞对体内各种离子的选择性吸收能力不同，形成了人体内 环境中细胞内外的离子浓度的不平衡性。在安静状态下，由于浓度梯度、电位梯度和 细胞膜的选择通透性作用，使k + 外流速度远大于n a + 的内流速度，形成细胞外正离子浓 度高于细胞内正离子浓度，从而引起静息时细胞内负外正的跨膜电位，称为静息电位； 当肌细胞受到刺激或接受了神经冲动的传导，会引起细胞膜对n a + 的通透性突然增大， n a + 急速内流，使静息电位发生去极化，肌细胞膜突变为内正外负，这一电位称为动 作电位。动作电位能够沿着肌纤维膜迅速传导，以引起整个肌纤维的兴奋，最后引发 肌肉收缩。可见肌肉收缩与肌肉的动作电位之间有十分密切的耦联关系h 即，记录肌 肉收缩时的动作电位的变化就是肌电图，利用肌电仪所获得肌电图，可以说明哪块肌 肉或肌肉的哪一部分参与了活动及其强度的大小，运动中各块肌肉分别参与活动的顺 序、时间等。加拿大著名生物学家w i n t e r 3 曾说过，用肌电信号来测定肌肉产生的力 是机能解剖学家和运动生物力学家长久以来的梦想。因此，从肌电图中寻找能够反映 肌张力、肌力矩、肌肉的初始长度、角度、肌肉的收缩速度大小的有效指标是肌电图 测量研究的一个很重要的任务口1 。 2 2 表面肌电图评价疲劳的方法 肌肉运动采集的表面肌电信号是时间序列信号，它是表面引导电极触及多个运动 单位活动时所产生的电变化在时间和空间叠加，是由许多运动单位的电活动共同造成 的，须经处理才能用来评价疲劳。评价的指标主要有时间域分析( t i m ed o m a i n ) 、频 率域分析( f r e q u e n c yd o m a i n ) 、小波( w a v e l e t ) 分析等领域。另外，混沌( c h a o s ) 、熵 ( e n t r o p y ) 及分形( f r a c t a l ) 理论分析在国外的研究已有初步进展，国内也已开始进入 探索阶段博1 。 3 不同形式运动疲劳前后肌电参数及脑电o 【指数的变化特征2 0 0 8 年武汉体育学院硕士学位论文 2 2 1 时间域 时间域是指可以在时间维度上反映肌电曲线的变化特征的评价指标，主要指标有 积分肌电图，平均振幅( m a ) ，均方根振幅( r m s ) 等。 积分肌电图( i n t e g r a t ee m g ，i e m g ) ：i e m g 是指所得肌电信号经整流滤波求单位 时间内曲线下面积的总和，它可反映肌电信号随时间进行的强弱变化，是评价疲劳的 重要手段。随运动的进行，先前参与的运动单位开始疲劳，需要募集更多的运动单位 参与运动，肌肉放电现象增强，单位时间内的积分肌电值也随之增加。随运动单位疲 劳的产生，参加收缩的运动单位减少，振幅下降，表现i e m g 值降低。这种肌电变化 规律是疲劳过程中不同阶段的表现，并不因肌肉的位置或用力方式变化而改变。因此 可以认定在i e m g 值下降到低于初始值时为出现疲劳，疲劳程度越重，i e m g 值越低。 积分肌电阈、神经肌肉疲劳阈( e m g 阿) 、积分肌电变化率( r a t eo fc h a n g ei ni e m g v a l u e ) 等是积分肌电的更深层次运用。 积分肌电阈：通过计算递增负荷中每级的i e m g 变化，描绘出i e m g 与负荷强度的 一一对应曲线，当运动强度达到一定水平，该曲线会出现由平缓转向陡峭的“拐点”， 此强度就被称为积分肌电阈，其意义是指开始出现肌纤维大量募集的阈强度。国内有 学者通过这种方法评价赛艇运动员的积分肌电阈与无氧阈的关系，认为两者高度相 关，实际训练中可以应用积分肌电阈评价有氧能力阳1 。 神经肌肉疲劳阈：是由m a t s u m o t o 等和m o r i t a n i 等于9 0 年代初提出的n 引，建立 在如下理论的基础上：( 1 ) 、在持续一定时间的运动过程中，积分肌电图值( i e m g ) 随 着时间的延续呈上升趋势；( 2 ) 、当运动负荷的强度不同时，i e m g 的变化的斜率也不 相同，负荷越大，其斜率也越大。他们把e m g 阿定义为i e m g 变化的斜率刚刚要开始增 加时的强度，并认为应用e m g 阿可以对机体运动的疲劳阈值作出准确的检测。虽有其 他学者在此方面的研究与其存在较大的差异n ，但提示e m g 阿作为评价运动能力的一 项指标在评价训练效果时仍有较大的意义。 积分肌电变化率( r a t eo fc h a n g ei ni e m gy a l u e ) 是指在持续最大等长收缩中单 位时间积分肌电的变化与总时间的比值，h o r i o c h i 等人曾利用积分肌电变化率评价 小腿三头肌在不同膝关节角度下的疲劳时间，发现该指标在评价疲劳时有相当的灵敏 性n 引。但是这种方法目前只应用于静力性的训练中，在试验的条件下与疲劳有很好的 线性对应，但实际运动训练中极少有项目肌肉是纯粹的等长收缩，如何将积分肌电变 化率有效应用在动力性练习中仍有待研究。 4 不同形式运动疲劳前后肌电参数及脑电o 【指教的变化特征2 0 0 8 年武汉体育学院硕士学位论文 平均振幅( m a ) ：振幅反映肌肉电信号的强度与参与的运动单位数目及放电频率同 步化程度有关，m i c h a e lv i o g t 等人认为耐力项目的运动员其牵张反射e m g 的平均振 幅大于力量项目的运动员，可用于对耐力素质的评价n 朝。 均方根振幅( r m s ) 用来描述一段时间内肌电的平均变化特征，指此段时间内所有 振幅的均方根值。但不能反映肌电信号的细节变化。疲劳时肌电信号的振幅增高，势 必引起r m s 的增加。可以通过比较不同时期的r m s ，确定疲劳发生的时间和疲劳的程 度。 2 2 2 频率域 频率域分析是指在频率方面评价肌电信号的指标分析，频域信号是将时域信号通 过快速傅里叶转换( f a s tf o u r ie rt r a n s l a ti o n ，f f ，i ) 得出的，在表面肌电信号检测 与分析中具有重要的应用价值。与时域指标对比，频域指标有以下优势：( 1 ) 、频域 指标在肌肉疲劳过程中均呈明显的直线递减型变化，而时域指标的变化则有较大的变 异；( 2 ) 、频域指标时间序列曲线的斜率不受皮下脂肪厚度和肢体围度的影响，而时 域指标则易受影响；( 3 ) 、频域指标时间序列曲线的斜率与负荷持续时间明显相关， 而时域指标的相关不明显。但快速傅立叶变换法也有一定的缺陷，它需要有肌电信号 在全时域的信息综合分析，信号在某一时刻的变化将影响整个频谱特性，此外，傅立 叶变换要求信号是平稳的，表面肌电信号尤其是动力性收缩时是典型非平稳性和非线 性的随机信号，因此采用傅立叶变换实时分析肌电信号受到限制。频域分析主要指标 有平均功率频率( m e a np o w e rf r e q u e n c y ，m p f ) 、中数频率( m e d i a nf r e q u e n c y ，m f f m ) 。 疲劳时，功率谱大多由高频向低频漂移，m f 和m p f 值也相应下降。一般认为m p f 在反映较低负荷收缩时的灵敏度较高，m f 在抗噪声干扰方面更具优势n 引。关于s e m g 频谱左移的原因目前认为有中枢和外周两方面的机制，中枢机制主要是指大脑皮层及 运动神经元疲劳时放电频率的减弱和运动单位兴奋的同步化的降低；外周机制包括： ( 1 ) 、肌内压升高，使血流受阻，引起肌细胞膜通透性发生变化，导致动作电位传导 速度下降；( 2 ) 、因快肌运动单位很快疲劳，募集更多的未疲劳的慢肌运动单位参加 工作；( 3 ) 、局部酸性代谢产物堆积，肌肉运动时产生的细胞外k + 或乳酸浓度的增加 将直接导致肌膜传导速度的降低。类似理论的证实国内也有报道n 钔。但近年来在代谢 方面研究结果有争议，有人研究运动时肌肉中并不产生乳酸的磷酸化酶缺乏的患者， 发现其肌肉经过运动后仍发生s e m g 频谱左移现象，并认为s e m g 频谱左移与p h 的下 降并无因果关系，所存在的相关性，可能只是同属代谢机能下降的表现而已。而 5 不同形式运动疲劳前后肌电参数及脑电o 【指数的变化特征 2 0 0 8 年武汉体育学院硕士学位论文 v e s t e r g u a r dp o u l s e n 等利用核磁共振技术研究了正常人和m c a r d l e 氏病患者静力运 动至力竭( 负荷为5 、1 0 、3 0 m v c ) 胫骨前肌肌电活动与代谢的关系，发现肌电的改 变与肌肉p h 值、乳酸积累无相关性。 m p f s l o p e 和m f s l o p e 表示时间与m p f 和m f 曲线的斜率，代表运动过程中m p f 或 m f 的相对变化。在肌肉运动过程中，肌肉疲劳，频谱左移，表现为m p f 或m f 下降， 所以斜率通常为负值。在持续收缩过程中，e m g 频谱的负向斜率不易受干扰的影响， 对与肌肉疲劳相关的生理变化( 特别是动作电位传导速度的降低) 较为敏感，是测量局 部肌肉疲劳的客观指标。由于缺乏统一的评价标准许多主观因素的影响，评价缺乏客 观性。后又有人提出只用运动9 0 s 内的斜率值评价疲劳，仍然未被确认。有研究发现， 这两种斜率之间m p f 随负荷时间延长的下降幅度明显大于m f n 引，说明m p f 对于反映 肌肉疲劳较m f 更具敏感性。 2 2 3 幅频联合分析( j o i n ta n a l y s iso fe m gs p e c t r u ma n da m p li t u d e ，j a s a ) j a s a 分析是a l v i n l u t t 眦n n 等最先提出的，是一种同时考虑e m g 振幅和频谱 变化的一种新的疲劳测定方法。由于肌力和疲劳状态在e m g 信号振幅和频谱两方面有 不同性质的反映，振幅和频谱的变化要同时考虑才能更好地反映肌肉疲劳真实情况。 幅频联合分析可能同时对s e m g 信号振幅和频谱变化加以综合考虑，有效辨别因肌力 增加或因疲劳状态的肌电信号变化的类似现象，有报道通过j a s a 分析还可将频域分 析有效地应用于动力性练习中，排除肌力变化对运动时频率的影响n 。 2 3 肌电图的影响因素 有研究表明肌肉温度下降和疲劳会增加肌电图的振幅n 引。高强度动力性、低强度 重复性的工作使疲劳出现的更早，e m g 的活动性增高，e m g 的振幅增加。其原因可能 是：( 1 ) 神经肌肉接头的兴奋性提高( 2 ) 力量反射调节和中枢神经冲动发放加强( 3 ) 低 温刺激更多的运动单位的募集、募集方式的改变n 钔啪儿2 。体温升高对疲劳肌电图也有 影响，在其它条件相同的情况下，体温高的受试者i e m g 下降的斜率大于对照组瞳引。 另外电极的位置、肌纤维的类型、年龄、训练程度对肌电图都有所影响。肌电图实验 室的设备及其连接、屏蔽对肌电图的记录也会有一定影响瞳3 i 。 2 4 肌电的发展及展望 近年来，肌电图( e m g ) 的研究方法不断改进和提高，对肌肉生物电的特征研究不 断深化。利用e m g 记录、研究肌肉疲劳是运动生理学中常用的方法，作为一种简单、 6 不同形式运动疲劳前后肌电参数及脑电o 【指数的变化特征2 0 0 8 年武汉体育学院硕士学位论文 无创伤、可定量的研究方法，它可研究局部肌肉疲劳过程中的变化特征，对揭示肌肉 疲劳机制和在运动实践中判断疲劳、指导训练有一定的意义，同时，在运动康复的基 础研究和应用研究中也常有应用。但还有以下几方面问题还应深入研究：( 1 ) 疲劳肌 电图产生的确切机制( 2 ) 表面肌电图在动力性运动中的应用( 3 ) 表面肌电图的分析方 法，特别是非线性分析方法的研究以解决表面肌电图的信号不准确的问题乜劓。 肌电图在评价疲劳领域的发展方向主要有两方面：一是应用，肌电图可以有效反 映外围神经肌肉组织的活动状态。可以结合不同角度、不同领域深化肌电图在评价疲 劳时的应用，神经传导速度、肌纤维成份分类、运动单位募集顺序、训练形式效果评 价、技术动作的合理性协调性分析、运动肌之间共激活( c o a c t i v a t i o n ) 以及双侧肌肉 的交叉迁移等都是目前研究的重点，结合这些方面来评价疲劳一定大有可为。二是发 展，神经学与肌学等基础生理学进展为肌电图的应用奠定了坚实的基础，而非线性数 学分析手段( 分形分析、肌电复杂度分析、最大利亚普诺夫指数等) 在对非线性、非周 期性、非稳定性生物信号分析时有巨大优势，可以提供更多、更有效的量化分析指标， 其应用为肌电图领域的发展注入新的活力。人工神经网络( n e u r a ln e t w o r k ) 的自组 织、自适应性以及优秀的容错性能使其在系统辨识和模式识别方面也显示出很大的优 越性。已有学者利用人工神经网络初步展开肌肉力矩与肌电活动关系的研究，这些尖 端的技术势必将成为肌电评价疲劳研究的新热点。更多的新技术新理论在作为研究肌 电图的手段需要被开发，以便更合理更全面地反映肌电图所携带的信息，更充分更有 效地在体育领域发挥肌电信号的优势田1 。 2 5 脑电图的生理学基础 脑电图( e e g ) 是记录脑电波的图。德国心理学家b e r g 最早发现可以记录的大脑皮 层微弱的生物电活动。最初脑电图记录仅是通过连接在大脑皮层的电极将生物电信号 传入放大功能的仪器，脑神经元细胞的几微伏电位被放大数千万倍，再通过特制带有 记录笔的仪描绘出脑电波形。随着电子和计算技术的发展，脑电图的改进，现在脑电 图已经成为许多实践领域特别是临床诊断方面不可或缺的手段之一。 大脑皮层由许多功能不同的神经元细胞构成，由于细胞的细胞膜对钾离子的通透 性较大，这样钾离子细胞内浓度高于细胞外浓度，而产生钾的平衡电位，即静止膜电 位，膜电位= 细胞内电位一细胞外电位( 一般定义为0 ) 。一般在静止情况下细胞的细胞 膜维持一个约一6 0 膜电位。而当细胞接受刺激后，引起细胞膜内外电位变化和离子通 道的打开与关闭产生动作电位。在神经细胞发生的动作电位则称为神经冲动。这种神 7 不同形式运动疲劳前后肌电参数及脑电仅指数的变化特征2 0 0 8 年武汉体育学院硕士学位论文 经冲动的电信号经神经细胞的树突传给细胞本体，并会经轴突传到神经末端去刺激释 放神经递质，而将变化的膜电位传给下一个神经细胞，引起大脑皮层的兴奋。大脑产 生意识就是缘于神经细胞膜的电位变化，一般可以用两电极连接大脑的外表层，便可 以记录到频率不同的电位变化的波形，这就是描绘脑细胞生物电活动的波谱：脑电图 ( e e g ) 2 5 1 。 2 5 1 脑电图波谱的基本特征 2 5 1 1 脑电图的形式 大脑皮层生物电是非常微弱的，只有通过专门的仪器放大才可以肉眼观察到脑电 的活动情况。随着电子计算技术的进步，现在已经可以利用计算机定量的分析脑电变 化。早期的脑电图是一种“光谱分析图 ，为法国科学家p i e r r ef o u r i e r 设计的一种 数学技术处理方法，利用三维图形显示波谱的变化特征：水平左右轴表示时间轴，水 平垂直轴显示频率范围，垂直轴代表波幅强弱，并用不同颜色显示波幅范围。这种输 出图形可以清晰地观察到脑电波不同频率的波幅强弱。随着电子技术的发展，人们可 以利用电脑程序根据脑电波不同频率的波幅强弱，可以利用电脑程序根据脑电波的参 数重建三维动态图形显示大脑生物电活动，即“视频动态图”。目前脑电图已成为临 床诊断的重要手段，是一种更便利的结合图像和数据信号分析的“定量”分析图谱， 通过电磁共振和放大等记录仪器描绘脑电变化情形，可以从数据上定量显示脑电波变 化趋势。 2 5 1 2 脑电波谱的特征 生理学研究表明正常情况下记录的脑电波形是无规则的，但特定条件下脑电波变 化是有一定特征的。经实验总结正常人脑可以记录到4 种脑电波形，根据发生频率的 波段不同一般分为q 波( 8 1 3h z ) ，b 波( 1 3 h z 以上) ，o 波( 4 8h z ) 以及6 波( 2 4 h z ) 啪1 。q 波是一种低幅同步波，是人脑安静状态下被记录到的主要波形，表明在安 静状态下大脑皮层神经细胞处于不同时间的放松情形，一般认为q 波与放松状态和大 脑的准备活动有关，是大脑准备活动但还未活动时的脑电形式。b 波是高频低幅的不 同步快波，一般脑处理课题或进行智力活动时q 波会转化为b 波，b 波反映的是人脑 的警觉状态，脑皮层神经细胞处于紧张活动状态。o 波是向睡眠状态转化出现的中低 幅慢波，较常在海马处记录到，与记忆过程有关。6 波是正常人脑较少记录到的高幅 低频慢波，见于深睡眠状态，脑皮层神经元处于同时放松状态，不参与信息处理的过 8 不同形式运动疲劳前后肌电参数及脑电o 【指数的变化特征2 0 0 8 年武汉体育学院硕士学位论文 程。对于频率较高的b 波资料显示有更深入的描述，如将( 1 3 1 5h z ) 定义为 s e n s o r i m o t o r ( s m r ) 曲线1 ( 6 0 7 0h z ) 表示睡眠中眼球快速移动( r e m ) 的状态。 2 5 2 正常脑电图 健康人除个体差异外，在一生不同的年龄阶段，脑电图都各有其特点，但就正常 成人脑电图来讲，其波形、波幅、频率和位相等都具有一定的特点。临床上根据其频 率的高低将波形分成以下四种： b 波：频率在1 3 h z 以上，波幅约为6 波的半，额部及中央区最明显。 a 波：频率在8 1 3 h z ，波幅2 5 7 5pv ，以顶枕部最明显，双侧大致同步，重复 节律地出现6 波称。节律。 o 波：频率为4 8 h z ，波幅2 0 4 0uv ，是儿童的正常脑电活动，两侧对称，颞 区多见。 6 波：频率为4 h z 以下，6 节律主要在额区，是正常儿童的主要波率，单个的和 非局限性的小于2 0uv 的6 波是正常的，局灶性的6 波则为异常。6 波和b 波统称为 慢波。 因小儿的脑组织正在不断发育与成熟之中，因此其正常脑电图也常因年龄增长而 没有明确的或严格的界限，具体内容很复杂，一般非专业人员不易掌握。 2 5 3 影响脑电图的因素 影响脑电图的主要因素有年龄、个体差异、意识状态、外界刺激、精神活动、药 物影响和脑部疾病等。其中年龄和个体差异与脑生物学特点及遗传心理因素有关。外 界刺激与精神活动引起的脑波改变属于脑机能活动的一些生理性变化。药物影响和脑 部疾病所产生的脑波变化往往是病理性的，但也可以是一过性和可逆性的。 2 5 3 1 年龄和个体差异 脑电图作为客观反映大脑机能状态的一个重要方面与年龄的关系非常密切。如在 小儿，脑电图可以观察到随年龄增加的脑波发展变化。年龄阶段不同，脑波可显示明 显的差异。另一方面，由于小儿时期脑兴奋抑制机制发育水平的年龄差异，因而对内、 外界各种因素影响的反应较成人显著，容易出现明显的脑波异常，而且异常的范围也 较广泛，但相应的消失也较成人快。在小儿时期异常脑波的出现也与年龄有关。年龄 不同，异常波型也不相同，在癫痫时尤其如此。到成年时，脑波逐渐稳定，中年后随 着脑机能的逐渐减退，脑波又产生相应的变化。到老年期由于有脑缺血性损害或有脑 萎缩存在，大多数也会出现有意义的脑波异常。关于脑波的个体差异多在1 岁后出现， 并随年龄的增加而逐渐增加，至成人时脑波差异己相当显著。许多研究结果认为脑电 9 不同形式运动疲劳前后肌电参数及脑电o 【指数的变化特征 2 0 0 8 年武汉体育学院硕士学位论文 图与遗传及心理特征有一定关系，但出生后各种环境因素对大脑和心理性格的形成也 有一定的影响。 2 5 3 2 意识状态 脑电图能够反映意识觉醒水平的变化，成人若在觉醒状态出现困倦时，脑电图就 由q 波占优势图形出现振幅降低，并很快转入涟波状态。入睡后脑波变化将进一步明 显并与睡眠深度大致平行。在病理状态下，脑电图波形的异常又与病因及程度有关， 除大多数表现为广泛性或弥漫性波外，还可见到一些其他的异常波型。临床上常根据 这些异常波型来推断意识障碍的病因、程度，还可确定病位。此外，脑波节律一般易 受精神活动的影响，如当被试者将注意力集中在某一事物或做心算时，q 节律即被抑 制，转为低幅b 波，而且精神活动越强烈，q 波抑制效应就越明显，外界刺激也可引 起同样的变化。这就是为什么在做脑电图时周围环境要安静，受检者要放松、不要思 考问题的缘故。 2 5 3 3 体内生理条件的改变 临床上诸如缺血缺氧、高血糖、低血糖、体温变化、月经周期的变化、妊娠期、 基础代谢等都直接影响脑组织的生化代谢，所以脑波也相应地出现变化。如脑组织酸 中毒时，脑血管扩张，脑血流量增加，将引起脑波振幅降低和出现快波化。 临床上大多数药物对脑生理机能会产生直接或间接的影响，尤其是那些直接作用 于中枢神经系统的药物可引起明显的脑波变化。具体变化与个体差异、药物种类、服 药方法、药量等都有很大关系。如口服给药，刚开始和增加药量时会出现脑波变化， 有些在停药后的短期内脑波改变仍可持续存在，甚至会出现一种反跳现象而见到脑波 增强，这就是临床上治疗癫痫不能突然换药或停药的原因。 2 6 脑电图在体育运动中的应用 随着各学科技术的不断整合发展，脑电图应用于运动训练领域逐渐深入，使脑电 图在运动训练领域中的应用正在成为一个重要的研究课题。 2 6 1q 波和b 波指数反映运动员注意力集中程度 q 波抑制的百分数能反映运动员集中注意力的程度，并可用于判断运动能力，是 测定注意力的客观指标啪1 。张镇民等对中国乒乓球运动员的脑电研究表明，冠军队员 q 波被抑制的数值与银铜牌得主比较有显著差异( p 0 0 0 1 ) ；后备力量相当于第4 6 不同形式运动疲劳前后肌电参数及脑电仅指数的变化特征 2 0 0 8 年武汉体育学院硕士学位论文 届世乒赛银牌得主的水平；并通过多名优秀乒乓球运动员的想象竞赛显示q 波抑 制，b 波指数增强，大脑兴奋性提高。实验证明q 波指数抑制的百分数反映集中注意 力，并判断运动能力，不同水平的运动员之间有显著性差异。因为脑电波抑制的程度 反映大脑神经元激活水平，在临界水平以内，其被抑制程度越高，大脑神经元激活水 平也越高口川。 进一步的研究发现脑电图定性指标( 波率、波幅和指数) 较为客观地评价了运动 员的神经调节机能特征与运动技术特点的关系，反映竞技水平，并被比赛成绩证实。 q 波反映乒乓球不同打法与大脑神经元代谢的方式，其符合率为8 0 以上。快攻者： 波率加快，速度型( 表象竞赛时快攻者q 波频率加快，幅度下降) ；弧圈者：波幅升高， 强度型；快弧者：速度强度交替型。对优秀选手邓亚萍的间歇性闪光刺激实验表明： 脑电波对闪光刺激的反应呈优越型、灵敏、协调、稳定，潜伏期时间和恢复期时间是 正常值的1 5 。证明脑电波对闪光刺激的反应类型、潜伏期时间和恢复期时间可以用 作评定运动员神经反应的灵敏性、协调性和稳定性的客观指标1 。 2 6 2 不同年龄性别运动员脑电图的对比研究 对不同年龄组脑电图的研究表明，少年组脑电图主要为寻常q 波，波率与成年人 组无显著差异，对光刺激的潜伏期和作用期与成年组相似，少年运动员q 波指数高于 同龄少年而波幅均值低于同龄少年。根据青少年的脑电图特点还发现应优先发展速度 素质，而不是力量和耐力素质口别。这为运动选材和少年运动员训练提供了一定的参考 价值。另一方面，实验研究显示：安静时脑电图特点与训练水平不相关，不同训练水 平组q 波指数，与q 波波幅无显著性差异，不能依据q 波波幅来衡量运动员神经系统 机能和训练水平口朝。黄登惠的研究发现女运动员与男运动员两者的q 波指数、脑波波 率、脑波调频、调幅、串长及睁闭眼反应相似，为女运动员的可训练性提供了高级神 经活动方面的依据。同时，发现女运动员脑波波幅及最高波幅均高于男运动员，说明 神经系统容易疲劳，也容易恢复。另外，女运动员脑电活动的间歇期较长，脑波沉静 期较长，这些反映女运动员脑的代谢强度大，持久性耐力较好，为女运动员的训练提 供了一定的参数和注意事项2 1 。 2 6 3 脑电图异常及时诊断运动脑损伤 由于体育运动，特别是高水平竞赛运动如拳击、足球等对抗性较强的项目，脑部 损伤是经常出现的，及时的脑电检测有助于快速治疗运动脑损伤。研究资料揭示：职 不同形式运动疲劳前后肌电参数及脑电o 【指教的变化特征2 0 0 8 年武汉体育学院硕士学位论文 业拳击运动员在比赛前后的脑电图对比，4 0 一6 0 出现异常，短期内拳击多次更为 明显，p 锄p u s ，g r o t e 等对拳击致晕的运动员e e g 迅速描记，发现有相对低波波幅活动， 节律减少或消失口2 1 。 2 6 4 过度训练运动员负荷后脑电图的特点 有研究表明，1 5 s 原地快跑后，对照组q 波波幅明显增高，而过度训练组基本无 变化或者降低m 3 。近些年来，电子计算机技术应用于运动员过度训练状态和正常状态 的脑电波功率谱自身对比分析，可从频域上观察到脑电的变化规律。有人用功率谱分 析2 2 名运动员在过度训练时的脑电变化，有2 1 人的脑电波功率谱呈现异常，其频域上 的改变有，安静时，中央区。频段相对能量增加，q 频段相对能量减少，以及过度换 气诱发试验前后，中央区和枕区q 峰频率的差值增大等。这样，从脑电频域上自身对 比和测算运动员过训e e g 的异常率要比常规e e g 分析提高9 口钒。 2 7 脑电生物反馈在运动训练领域的应用展望 生物反馈是一种自我调节的过程，是个人学习如何影响心理生理的过程。每个人 的独特生理反应透过生物反馈机制进行，这些反馈机制通常以视觉( 如光源) 或听觉 ( 如声音) 的形式出现。人们接受这些反馈，作为其生理状态之一方面，并试图通过改 变这种状态m 3 刀汹1 。随着脑电图仪及脑电生物反馈仪等相关脑电检测仪器的发明和应 用，脑电生物反馈技术在实践中逐步推广应用，在美国特别是医疗领域应用非常广泛， 目前较多的是从事生物反馈训练治疗a d h d 、a d d 等病人的工作，并取得一定的成效。 运动领域的生物反馈训练是通过专门的电子设备探查，记录个体的生理活动，并转换 成声和光的形式，不断系统地提供自我调节的心理训练方法呻1 。在我国运动训练领域 应用脑电图检测运动员，并开展实验研究。鉴于对以上资料的总结，可以预见脑电生 物反馈在运动训练领域得到有效的应用：a 可以考虑在运动选材的过程中，根据运 动动作时运动员的b 波增加和q 波抑制的程度，作为判断运动员动作中思维的集中水 平b 在赛前可以设计对运动员进行生物反馈训练，增加b 波和抑制q 波段，提高 比赛的集中状态；c 在赛后的放松过程，可设计对运动员进行增加q 波和降低。波 的训练，提高运动员的放松进程。 1 2 不同形式运动疲劳前后肌电参数及脑电仅指数的变化特征2 0 0 8 年武汉体育学院硕士学位论文 3 实验方法 3 1 实验对象 选取武汉体育学院研究生男生2 0 名，其中包括运动人体科学和体育管理专业学 生1 0 名，运动系和体育系