核心耐力运动期间通过运动模式超声和表面肌电图获得的肌肉功能

摘要

该协议同时使用运动模式超声和表面肌电图来测量核心的肌肉功能。在侧板和死虫练习的特定时间点，可以实现肌肉厚度和局部稳定器（例如，横腹、内斜）和整体移动器（例如外斜）的激活。

摘要

运动模式（M模式）超声允许研究人员和临床医生测量肌肉厚度随时间的变化。可以在运动过程中的给定时间点测量筋膜边界之间的肌肉厚度。这个选定的时间点产生一维图像，从而实时观察解剖结构。功能运动期间使用的超声波可以称为动态超声;通过使用线性传感器、松紧带和泡沫块来确保传感器的一致放置，这是可行且可靠的。由于肌肉的重叠性质，通常使用超声检查外腹壁。表面肌电图 （sEMG） 可以补充 M 型超声成像，因为它测量肌肉激活的电表现。在核心运动期间同时使用 M 型超声和 sEMG 的证据很少。挑战核心肌肉组织的运动包括等长保持（例如侧板）以及摆动肢体运动（例如死虫）。在这项研究中，这两种仪器将同时用于测量运动期间的核心肌肉功能。超声波测量将使用线性换能器和超声单元获得，sEMG测量将从无线sEMG系统获取。为了在参与者和锻炼之间进行比较，将使用两种工具的静态锻炼起始位置的标准化方法。激活率将用于超声波，并通过将收缩厚度（运动时间点的厚度）除以静止（起始位置）厚度来计算。肌肉厚度将以厘米为单位测量，从上筋膜下缘到下上筋膜缘。这些方法旨在通过核心耐力锻炼期间的M型超声和sEMG提供创新和实用的肌肉功能测量。

引言

腹侧壁由横腹、内斜、外斜1^组成。腹侧壁同心、偏心和等长收缩，以承受施加在身体上的力¹.该肌肉群的共同收缩^{提供了人体中心的}稳定2^，3。这些肌肉在预防和康复下肢损伤期间很重要，因为躯干功能差与髋关节内收和膝外翻增加有关，这是下肢损伤的危险因素4^，5。专注于加强和增加核心肌肉组织的肌肉耐力不仅可以减少下肢的危险因素，还可以减少腰痛⁶。最近，有人建议患有急性和慢性腰痛的人在康复中应包括躯干强化、耐力和特定的躯干肌肉激活⁶.特定躯干肌肉激活的一个例子是针对孤立或分组的躯干肌肉，使用共同收缩来恢复腰骨盆-髋关节区域的控制或增加协调^{性 6}。

客观测量肌肉功能的两种方法是使用运动模式（M模式）超声和表面肌电图（sEMG）。M模式超声提供记录时间内肌肉和筋膜运动的实时可视化，可以^{显示运动的}开始和程度7。在选定的时间测量上筋膜下缘和下上筋膜缘之间的距离以获得肌肉厚度。运动特定时间点的肌肉厚度可以除以静息厚度，以达到^激活比8。sEMG提供了对肌肉激活和疲劳的洞察，因为输出可以与肌肉的最大收缩^{进行比较9。}这两种仪器和方法以前已用于测量健康和受伤个体在各种运动期间髋部肌肉激活的开始¹⁰。针对躯干，特别是侧腹壁的练习是侧板和死虫¹¹，^12，13。侧板以侧卧姿势进行，肘部直接在肩膀下方，前臂着地，臀部抬离地面，直到脊柱处于中立位置。膝盖伸展，双脚彼此重叠^9（补充图1）。死虫以仰卧位进行，双臂伸直上方，臀部和膝盖弯曲成 90° 角。当一只手臂弯曲在头顶并且对侧腿伸展时，练习就开始了。另一侧手臂和腿保持在中立位置，然后在原始移动手臂和腿返回中立位置¹³后弯曲和伸展（补充图2和补充图3）。

在侧板^11，12^，14期间，外斜肌的激活范围为最大自愿等长收缩（MVIC）的37%至⁶²%。在死错误期间，仅重复练习¹⁵ 的 5 次，外斜的激活记录在 MVIC 的 20% 到 30% 之间。内斜腹和横腹肌，即外腹壁的深腹肌，在侧板 12^，14 期间激活²²% 至 28% 的 MVIC。由于内斜腹和横腹的重叠性质，在sEMG收集过程中，两块肌肉已经结合¹⁴。sEMG的限制是来自相邻肌肉的串扰，其中sEMG传感器可能产生不同肌肉的输出，导致对激活的错误理解¹⁶。用超声波获得的肌肉厚度测量值可用于减轻这种限制，并且这种测量在躯干锻炼期间是可行的，例如前面提到的等距保持¹⁷。

侧腹壁的肌肉厚度在侧板上被记录为收缩厚度和静息厚度之间的绝对差异。在侧板30 s时间点，内斜肌和外斜肌厚度分别增加了0.526 mm和0.205 mm，¹⁷.这些测量值是在侧板的一个时间点在亮度模式超声下记录的。B型超声通常用于评估图像前后;但是，该方法仅允许在两个时间点¹⁸进行测量。与B型超声相比，M型超声具有更大的优势，因为它可以检测整个运动过程中肌肉激活的开始以及肌肉厚度，并且可以选择任何时间点进行测量¹⁸。因此，当前协议的总体目标是在核心耐力练习期间通过M模式超声和sEMG提供创新和实用的肌肉功能测量。这有利于研究人员和临床医生了解肌肉在整个运动期间的功能，尤其是耐力性质的肌肉，而不是孤立于单个时间点的测量。

研究方案

所有人类参与者都提供了知情同意。该协议是中佛罗里达大学机构审查委员会批准的一项研究的一部分。纳入标准包括年龄在18-45岁之间，并根据ACSM指南进行身体活动（每周5天30分钟的中度至剧烈活动）¹⁹。排除标准包括过去一年内的腰痛，当前的髋关节、上肢或下肢疼痛或损伤，一年的腰部手术或下肢手术史，自我报告的平衡障碍，肌肉异常，目前怀孕或腹部有开放性伤口（表1）。

1. 数据采集仪器准备

1. 检查超声机和sEMG机的完整性（见 材料表）。
   1. 打开超声机，按患者，然后添加新 患者。单击 "新建 患者"并输入患者标识号。选择 MSK 考试类型 > 腹部预设 ，然后按 注册。按 退出。
   2. 打开平板电脑（见 材料表）并单击 肌电图记录应用程序。单击左上角屏幕中的 "菜单 "按钮并扫描传感器。将传感器从底座中取出并将鼠标悬停在激活按钮上。传感器与应用程序连接后，使用参与者的标识号创建一个新文件夹。
      注意:腹部预设中的超声设置，B 模式:B 颜色 = 色调贴图 D，写入缩放高度 = 4，写入缩放宽度 = 4，热指数 = TLS，ATO 级别 = 低，对焦数 = 2，对焦数 CrossXBeam = 2，对焦深度 = 50，深度 （cm） = 3，压缩 = 1，对焦宽度 = 1，对焦宽度 CrossXBeam = 1，线密度 = 3，线密度 CrossXBeam = 3，抑制 = 0， 帧平均值 = 4，从平均值 CrossXBeam = 2，CrossXBeam = 2，CrossXBeam # = 低，CrossXBeam 类型 = 平均值，边沿增强 = 3，B 转向 = 0，灰度贴图 = 灰度图 C，增益 = 34，动态范围 = 69，抑制 = 0，频率 （MHz） = 12。腹部预设中的超声设置，M 模式:扫描速度 = 0，M 颜色 = 色调贴图 C，Dop 显示格式 = 垂直 1/2 B，排斥 = 0，压缩 = 1，灰度贴图 = 灰度贴图 D，M 增益（从 B 开始的增量）= 0。

2.表面肌电图制备（见材料表）

1. 当参与者仰卧钩卧时，通过触诊右髂嵴和右下肋来确定外部倾斜传感器位置（图 1）。将传感器从下肋骨和髂嵴之间的中点向前放置3厘米，平行于肌纤维²⁰。
2. 剃须、清洁和清创将放置传感器的皮肤区域（参见 材料表）。在传感器上添加粘合剂（见 材料表）并固定在皮肤上。

图1:侧腹壁的检查位置。 将sEMG传感器放置在距下肋骨和髂嵴之间的中间点前方3厘米处，平行于肌纤维²⁰。换能器位于脐外侧 10 cm 处，直到屏幕上可见腹侧壁。 请点击此处查看此图的大图。

3.超声准备（见材料表）

1. 在站立位置，将传感器穿过松紧带和泡沫块（图2）。
2. 将凝胶添加到换能器中，并将换能器放置在脐部外侧 10 cm 处。调整直到侧腹壁在屏幕²¹ 上可见（图3）。
3. 确保换能器紧紧固定在腹侧壁上。
4. 用魔术贴带固定腰带。调整深度以在B模式下获得最佳图像质量（图4）。

图 2:通过松紧带和泡沫块放置的换能器。 请点击此处查看此图的大图。

图 3:用于验证侧腹壁的静息图像示例。 请点击此处查看此图的大图。

图 4:通过松紧带和泡沫块固定在腹侧壁上的换能器。 请点击此处查看此图的大图。

4.超声波静态侧板

1. 在瑜伽垫上（见 材料表），指导参与者以90度屈曲的肘部右侧躺下，使他们的躯干和上肢离开地面。参与者的双脚应堆叠在一起，膝盖完全伸展。腿应平行接触瑜伽垫。
2. 按冻结，然后为每个图像存储，以捕获外腹壁的三个静态超声图像。
   注意:保存的图像将位于活动图像屏幕下方。

5. 肌电图静态侧板

注意:同时，研究人员还将在步骤4.1中描述的静态定位期间获得sEMG输出。

1. 在肌电图记录应用程序左上角屏幕的sEMG菜单中，选择 设置，这是一个 齿轮 图标。
   1. 进入传感器设置页面后，选择 二头肌 图标。这将打开归一化度量的页面。
   2. 按 单击播放开始;将有 5 秒倒计时。在此期间，指导患者采取测试姿势。录制将额外花费 5 秒。
   3. 记录"MVC = .XXXXmV"，因为这将用于归一化计算。
      注意:EMG移动套件在20 -450 Hz之间自动带通滤波器。 EMG （RMS） 333.3，1125 ms窗口宽度。

6. 侧板

1. 接下来，指导参与者完成侧板60秒，保持正确的形式²²。按超声机上的 M 打开 M 模式。
2. 按 绘图，按 红色 按钮，然后在EMG应用程序中再次按 保存 按钮。参与者将获得 3 秒倒计时。倒计时开始后，按超声波上的 商店 开始超声波记录。
   注意:参与者将保持正确的表格，直到60秒，或者当研究人员确定正确的表格已被破坏时。
3. 要保存录制的 M 模式视频，请在锻炼停止后按 Store 和 sEMG 应用程序上的 停止 按钮。
4. 单击" 将文件另存为" 并键入文件名以保存输出，该输出将在录制停止时出现在屏幕上。

7.超声波静态死虫

1. 在瑜伽垫上，指导参与者仰卧，双腿处于钩子躺姿。
2. 按 B 进入亮度模式。按冻结，然后按存储，通过超声捕获外腹壁的三个静态图像。保存的图像将位于活动图像屏幕下方。

8. sEMG静态死虫

1. 在EMG应用程序的菜单（左上角）中，选择 设置，这是一个 齿轮 图标。
2. 进入传感器设置页面后，选择 二头肌 图标。这将打开归一化度量的页面。
3. 按 单击播放开始。在5秒倒计时期间，指示患者采取测试位置。录制将额外花费 5 秒。
4. 记录"MVC = .XXXXmV"，因为这将用于归一化计算。

9. 死虫

1. 接下来，指导参与者完成死错误60秒，保持正确的形式。按超声机上的 M 打开 M 模式。
2. 指导参与者最大限度地伸展右肩，同时最大限度地伸展左臀部和膝盖，同时保持对侧四肢的起始位置。
3. 然后指导参与者弯曲肩膀、臀部和膝盖以返回起始位置。然后，对侧肢体将执行相同的运动。
4. 要求参与者对设置为每分钟 45 次的节拍器进行练习。这导致在 60 秒内重复 22 次死虫。
   注意:参与者应保持正确的形式直到 60 秒，或者直到研究人员确定正确的形式被打乱或节拍器节奏被打断。
5. 按"绘图"，按红色按钮，然后按 "播放"。在EMG应用程序中再次按保存按钮。参与者将获得 3 秒倒计时。倒计时开始后，按超声波上的 商店 开始超声波记录。

10. 超声静态测量

1. 选择要测量的第一个静态图像时，单击 Enter 键。
2. 按测量以打开 测量 工具。测量从上下筋膜边界到下上筋膜边界的静态位置（以厘米为单位）的最大肌肉厚度（图5 [侧板]和 图6 [死虫]）。
3. 在上上边界处 单击" 输入"，然后在下上边界处再次 输入 。
4. 对侧板和死虫静态测量重复步骤 10.1-10.3。平均三个静态图像的测量值。

图 5:侧腹壁期间侧板静态、运动起始位置和肌肉测量的示例。 A = 外斜（0.554 厘米），B = 内斜（0.761 厘米），C = 横腹（0.326 厘米）。 请点击此处查看此图的大图。

图6:死虫侧腹壁静态、运动起始位置和肌肉测量示例。 A = 外斜（0.618 厘米），B = 内斜（0.820 厘米），C = 横腹（0.438 厘米）。 请点击此处查看此图的大图。

11. 超声动态测量

1. 测量锻炼前 5 秒和后 5 秒内外斜、内斜和横腹厚度的最大厚度。此外，记录整个 60 秒的最大厚度。
   注意:侧板通常持续 5 秒。从以前的作者那里获取集合和重复指南，选择更长的持续时间60秒进行比较。比较任务的前 5 秒和后 5 秒，以评估肌肉群^23，24 的力量和耐力方面。
2. 使用 滚动 按钮，找到每个练习的前 5 秒和后 5 秒。此外，在整个 60 秒锻炼中目视检查每块肌肉的最大厚度。
3. 按测量以打开 测量 工具。测量从上筋膜下缘到下上筋膜边界的静态位置（以厘米为单位）的最大肌肉厚度（图7 [侧板]和 图8 [死虫]）。
4. 将练习期间获得的三个厚度测量值中的每一个除以平均静态位置，得到激活比 ²⁵。

图 7:侧板运动期间的侧腹壁示例和 M 模式下的肌肉测量。 A = 外斜（0.968 厘米），B = 内斜（0.937 厘米），C = 横腹（0.714 厘米）。 请点击此处查看此图的大图。

图 8:死虫运动期间的侧腹壁示例和 M 模式下的肌肉测量。 A = 外斜（0.840 厘米），B = 内斜（0.840 厘米），C = 横腹（0.720 厘米）。 请点击此处查看此图的大图。

12. 肌电图测量

1. 按肌电图数据记录页面上的主页图标。选择屏幕右上角的文件夹图标。静态和锻炼试验的保存输出将保存在此处。将每个文件转换为.xlsx文件。导出.xlsx文件。
2. 在电子表格中，获取第一个和最后 5 秒的最大值，以及总体最大值。
3. 将步骤 5（静态侧板 sEMG）和 8（死虫 sEMG）中获得的静态 sEMG 输出分别除以练习期间的输出。

结果

静态运动起始位置期间超声和sEMG的测量结果如 表2所示。这些数字将用作计算活化率时的分母。前5 s、后5 s和总持续时间（60 s）的外斜、内斜和横腹的厚度值见 表3。这些数字除以 表 2 中的数字。标准化为静态的sEMG值，前5秒，最后5秒的运动起始位置和峰值活动如 表4所示。

激活率描述了与静态运动起始位置相比，运动导致...

讨论

M型超声在选定时间内实时观察解剖结构时提供肌肉组织运动和肌肉厚度变化的开始²¹。M型超声结合sEMG提供了对肌肉功能的整体了解，包括电表示和视觉观察。这些仪器可以在运动期间串联使用，为研究人员提供对肌肉功能的全面了解。

超声和sEMG技术的特定培训对于产生可靠和有效的测量是必要的。与M型超声和sEMG一起使用的归一化方法需要相似，以便比较...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Alcohol prep pads	Henry Schein	HS1007
Amazon Basics 1/2- Inch Extra Thick Exercise Yoga Mat	Amazon	YM2001BK
Delsys Trigno Sensor Adhesive Interface, 4-Slot	Delsys	SC:F03
Delsys Trigno Wireless System	Delsys	T03-A16014
Galaxy Tablet S5e	Samsung	SM-TS20N
GE NextGen Logig e Ultrasound Unit	GE Healthcare	HR48382AR
Linear Array Probe	GE Healthcare	H48062AB
Trigno Avanti sensors	Delsys	T03-A16014