第43卷第1期 陕西师范大学学报(自然科学版) Vol 43 No. 1 2015 1 A Journal of Shaanxi Normal University(Natural Science Edition) Jan, 2015 文章编号:1672-4291(2015)01-001-06 doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2015.01.213 肌肉组织疲劳过程的超声衰减特征 李培畅,崔付俊,李霖,刘昕,李永放,郭建中 (陕西师范大学物理学与信息技术学院,陕西西安710119) 摘要:基于超声波在生物软组织中的传播机理以及肌肉疲劳过程中组织厚度、弹性等特征的变 化,研究了超声衰减特性与肌肉疲劳过程的相关性,理论分析了超声波幅度随肌肉疲劳的变化规 律。设计针对右肱二头肌的实验,探讨了激励声波在逐渐疲劳的组织中传输的响应规律。同步采 集表面肌电信号,研究肌肉疲劳过程中肌电信号与超声衰减特征的相关性。理论分析及实验结果 表明,在肌肉疲劳过程中,随着疲劳程度的増强,超声波传输后平均能量幅度逐渐减小,其减小趋势 满足指数衰减规律,同时同步采集的表面肌电信号均方根值呈线性増加趋势。 关键词:超声波;幅度;衰减;肌肉疲劳;表面肌电信号 中图分类号:TP391.42文献标志码:A The attenuation of ultrasonic wave in the fatigue muscle tissue LI Peichang, CUI Fujun, LI Lin, LIU Xin, LI Yongfang, GUO Jianzhong (School of Physics and Information Technology, Shaanxi Normal University Xian 710119. Shaanxi Chi Abstract Based on the mechanism of ultrasonic wave propagation in biological soft tissue and the muscle thichness change in the fatigue process, the relationship between ultrasonic attenuation and muscle fatigue are studied. The variations of the ultrasonic amplitude in muscle fatigue are an alyzed. Then the corresponding experiments were designed to verify such relation. The surface electromyogram signal synchronized were collected in order to obtain the relationship between the surface electromyogram signal and the ultrasonic attenuation. The results show that the ultrasonic amplitude decreases as an exponential function in fatigue process and the rms value of the sur- face electromyogram signal increases linearly. Key words: ultrasonic wave; amplitude; attenuation; muscle fatigue; surface electromyogram 肌肉疲劳是肌肉组织的一个重要运动特征[,1851年法国科学家 Duois Reymond首次检测到人 处理不当会严重影响人们的日常生活质量以及体育体肌肉收缩时产生的电信号,而后SEMG就广泛地 运动的训练效果,准确估计肌肉疲劳程度可以有效应用于肌肉特征的研究。文献[7]对人的局部肌 减小运动员在比赛训练中受伤的风险[2。已有研肉疲劳的肌电表现研究表明,随着肌肉疲劳,SEMG 究表明,从人体骨骼肌表面电极记录的神经肌肉活的均方根值(RMS)有线性增加趋势,之后研究者们 动时发出的表面肌电信号( Surface Electromyo-进一步证明了这一结论,从而利用这一参数的变化 gram,SEMG),包含有与肌肉收缩相关联的神经及可逆向估计肌肉的疲劳状态[1。由于SEMG属 肌肉特征,可以较方便地评价肌肉功能状态[5。于极其微弱的生物电信号[12,受噪音干扰影响大, 收稿日期:201406-20 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10974128,11274217);中央高校基本科研业务费专项资金项目(GK20131009 第一作者:李培畅,女,硕士研究生,研究方向为超声工程。E-mail:751922334@cqg.com 通信作者:郭建中,男,教授。E-mail:guoJi@snnu.edu.cn第４３卷 第１期 陕西师范大学学报（自然科学版） Ｖｏｌ．４３ Ｎｏ．１ ２０１５年１月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａａｎｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） Ｊａｎ．，２０１５ 文章编号：１６７２４２９１（２０１５）０１００４１０６ 犱狅犻：１０．１５９８３／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｓｎｕ．２０１５．０１．２１３ 收稿日期：２０１４０６２０ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（１０９７４１２８，１１２７４２１７）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（ＧＫ２０１３１００９） 第一作者：李培畅，女，硕士研究生，研究方向为超声工程。Ｅｍａｉｌ：７５１９２２３３４＠ｑｑ．ｃｏｍ 通信作者：郭建中，男，教授。Ｅｍａｉｌ：ｇｕｏｊｚ＠ｓｎｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 肌肉组织疲劳过程的超声衰减特征 李培畅，崔付俊，李 霖，刘 昕，李永放，郭建中 （陕西师范大学 物理学与信息技术学院，陕西 西安 ７１０１１９） 摘 要：基于超声波在生物软组织中的传播机理以及肌肉疲劳过程中组织厚度、弹性等特征的变 化，研究了超声衰减特性与肌肉疲劳过程的相关性，理论分析了超声波幅度随肌肉疲劳的变化规 律。设计针对右肱二头肌的实验，探讨了激励声波在逐渐疲劳的组织中传输的响应规律。同步采 集表面肌电信号，研究肌肉疲劳过程中肌电信号与超声衰减特征的相关性。理论分析及实验结果 表明，在肌肉疲劳过程中，随着疲劳程度的增强，超声波传输后平均能量幅度逐渐减小，其减小趋势 满足指数衰减规律，同时同步采集的表面肌电信号均方根值呈线性增加趋势。 关键词：超声波；幅度；衰减；肌肉疲劳；表面肌电信号 中图分类号：ＴＰ３９１．４２ 文献标志码：Ａ 犜犺犲犪狋狋犲狀狌犪狋犻狅狀狅犳狌犾狋狉犪狊狅狀犻犮狑犪狏犲犻狀狋犺犲犳犪狋犻犵狌犲犿狌狊犮犾犲狋犻狊狊狌犲 ＬＩＰｅｉｃｈａｎｇ，ＣＵＩＦｕｊｕｎ，ＬＩＬｉｎ，ＬＩＵ Ｘｉｎ，ＬＩＹｏｎｇｆａｎｇ，ＧＵＯＪｉａｎｚｈｏｎｇ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｈａａｎｘｉＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉ′ａｎ７１０１１９，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ） 犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｎｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｓｏｆｔｔｉｓｓｕｅａｎｄｔｈｅ ｍｕｓｃｌｅｔｈｉｃｈｎｅｓｓｃｈａｎｇｅｉｎｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ａｎｄｍｕｓｃｌｅｆａｔｉｇｕｅａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｍｐｌｉｔｕｄｅｉｎｍｕｓｃｌｅｆａｔｉｇｕｅａｒｅａｎ ａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｖｅｒｉｆｙｓｕｃｈｒｅｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍｙｏｇｒａｍｓｉｇｎａｌｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄｗｅｒｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅｅｌｅｃｔｒｏｍｙｏｇｒａｍｓｉｇｎａｌａｎｄｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ａｍｐｌｉｔｕｄｅｄｅｃｒｅａｓｅｓａｓａｎｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｆａｔｉｇｕｅｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅＲＭＳｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｓｕｒ ｆａｃｅｅｌｅｃｔｒｏｍｙｏｇｒａｍｓｉｇｎａｌｉｎｃｒｅａｓｅｓｌｉｎｅａｒｌｙ． 犓犲狔狑狅狉犱狊：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅ；ａｍｐｌｉｔｕｄｅ；ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ；ｍｕｓｃｌｅｆａｔｉｇｕｅ；ｓｕｒｆａｃｅｅｌｅｃｔｒｏｍｙｏｇｒａｍ 肌肉疲劳是肌肉组织的一个重要运动特征［１］， 处理不当会严重影响人们的日常生活质量以及体育 运动的训练效果，准确估计肌肉疲劳程度可以有效 减小运动员在比赛训练中受伤的风险［２３］。已有研 究表明，从人体骨骼肌表面电极记录的神经肌肉活 动时 发 出 的 表 面 肌 电 信 号 （ＳｕｒｆａｃｅＥｌｅｃｔｒｏｍｙｏ ｇｒａｍ，ＳＥＭＧ），包含有与肌肉收缩相关联的神经及 肌肉特 征，可 以 较 方 便 地 评 价 肌 肉 功 能 状 态［４５］。 １８５１年法国科学家 ＤｕｏｉｓＲｅｙｍｏｎｄ首次检测到人 体肌肉收缩时产生的电信号，而后 ＳＥＭＧ 就广泛地 应用于肌肉特征的研究［６］。文献［７］对人的局部肌 肉疲劳的肌电表现研究表明，随着肌肉疲劳，ＳＥＭＧ 的均方根值（ＲＭＳ）有线性增加趋势，之后研究者们 进一步证明了这一结论，从而利用这一参数的变化 可逆向估计肌肉的疲劳状态［８１１］。由于 ＳＥＭＧ 属 于极其微弱的生物电信号［１２］，受噪音干扰影响大