孫 博 Panji Nursetia Darma 張全成 姚佳烽

（1）西安理工大學機械與精密儀器工程學院，西安 710048；2）Department of Mechanical Engineering, Chiba University, Chiba263-0022,Japan；3）西安石油大學體育系，西安 710065；4）南京航空航天大學機電學院，南京 210016）

通常，測量評估NMES 對肌肉的訓練效果有以 下 方 法 。 a. 表 面 肌 電 圖 （surface electromyography，sEMG）作為一種“被動”測量方法，其基本原理是記錄電極下方人體骨骼肌中運動單位電位產(chǎn)生的肌電信號。sEMG的時頻特性定量地反映了肌肉的功能狀態(tài)、肌肉群的協(xié)調(diào)性和肌肉的力量［6］。sEMG方法已經(jīng)應用于許多領域，包括手勢識別以及踩踏或步行分析［7-9］。b. 計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI） 和超聲成像（ultrasonic imaging，UI）。CT具有很好的肌肉形狀圖像分辨率，能夠準確、清晰地區(qū)分人小腿成像中的肌肉、脂肪和骨骼。MRI是使用氧合［10］或收縮成像［11］提供肌肉結(jié)構(gòu)和功能信息的工具。MRI 能夠準確反映NMES 對肌肉的訓練效果［12］。UI 用于檢測肌肉厚度、肌肉纖維羽狀角和肌肉束活動的變化，已經(jīng)被廣泛用于研究肌肉的生理特性［13］。

然而，NMES訓練對肌肉效果的監(jiān)測所有常規(guī)檢測方法都有缺點。sEMG受到“噪音”的過度影響，無法專注于感應特定肌肉的募集［14］。長期且定期進行高強度阻力訓練會增加人體骨骼肌的橫截面積，肌肉會發(fā)生明顯的形態(tài)學變化。因此，傳統(tǒng)成像檢測方法能夠通過對肌肉形態(tài)學變化的檢測來評估NMES訓練對肌肉的效果，但傳統(tǒng)成像檢測方法設備體積較大無法攜帶，且價格高昂，無法實現(xiàn)在家或者床旁的長期監(jiān)測。然而，NMES下人體肌肉人體骨骼肌的電特性分布會發(fā)生了變化［15］，在這種情況下，我們提出了一種方法，電阻抗成像（electrical impedance tomography，EIT）技術解決了上述缺陷，成為一種通過監(jiān)測在長期NMES訓練下不同肌肉響應隔室電學特性來評估NMES對肌肉訓練效果的新穎技術。

EIT是一種利用觀察區(qū)域內(nèi)物質(zhì)阻抗分布進行成像的技術［16］。由于生物體不同組織在不同的生理、病理狀態(tài)下具有不同的電阻抗特性，采用各種激勵模式，對人體施加安全驅(qū)動電流/電壓，通過生物組織在安全激發(fā)下測量響應信息，重建人體內(nèi)部的電阻抗分布圖像［17］?；谶@一原理，生物電阻抗斷層成像技術發(fā)展為一種非侵入性，安全無輻射，響應速度快、廉價的可視化方法［18］。當人體骨骼肌在NMES 訓練下發(fā)生電學特性分布變化時，EIT可以檢測到改變化并通過可視化的方法直觀的展示。

本文采用已開發(fā)的EIT系統(tǒng)對使用NMES訓練小腿后側(cè)肌肉的效果進行可視化和定量化分析，旨在將EIT 作為一種長期監(jiān)測方法，從而可視化NMES訓練對人類小腿肌肉的訓練效果。首先，將EIT 應用于對右小腿NMES 訓練前和5 周每周3 次后的電導率分布進行成像，以得到EIT 重建圖像。然后，通過比較EIT重建圖像肌肉被刺激隔室的空間平均電導率<σ>和生物電阻抗分析（bioelectrical impedance analysis，BIA）方法所測得的右腿組織細胞外含水量比率βrl，驗證EIT重構(gòu)圖像的電導率分布σ。最后，通過配對樣本t檢驗評估NMES 的有效性，并且討論在NMES訓練肌肉電學特性變化的生理原因。

1 儀器與方法

1.1 實驗儀器

EIT方法使用電傳感器收集材料內(nèi)部電特性的分布信息，電信號用作數(shù)據(jù)傳輸和處理的載體，適當?shù)膱D像重建算法用于重建對象電特性的空間分布。EIT 系統(tǒng)通常分為3 個單元（圖1）。a. 傳感器陣列，使用了16 個電極可穿戴式傳感器。物理場分布信息被轉(zhuǎn)換為電信號，即根據(jù)物理場電特性的變化獲得測量值。b. 數(shù)據(jù)采集和處理單元，它使用多路復用器和阻抗分析儀（IM3570，HIOKI，日本）。該單元用于收集傳感器處理數(shù)據(jù)。c. 圖像重建單元（安裝Phython 軟件的個人計算機），該單元從測量信號重建物理場參數(shù)分布。在實際測量中，正弦電流的幅值設置為1 mA［19］，并且選擇1kHz 頻率關注于細胞外液，因為低頻電流僅穿透細胞間質(zhì)［20-21］。本研究采用的阻抗分析儀的阻抗測量精度為±0.08%，激勵頻率范圍為4 Hz~5 MHz。

Fig. 1 Electrical impedance tomography （EIT） system

Fig. 2 Human calf long-term experiment protocol

Fig. 3 The electrode locations for NMES and structure of calf muscle compartments

Fig. 4 EIT sensor location and electrode distribution

Fig. 5 The spatial-mean conductivity <σ>M1, ECW/TBW ratio βrl of right leg, and total body water (TBW) τ in control group (CG) during 5 experimental weeks

Fig. 6 The spatial-mean conductivity <σ>M1, ECW/TBW ratio βrl of right leg, and total body water (TBW) τ in optimal voltage intensity training group (OG) during 5 experimental weeks

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗對象和道德規(guī)范

根據(jù)千葉大學（Chiba University）人體實驗倫理道德規(guī)范，所有受試者在獲得詳細解釋后，均已簽署研究的書面知情同意書，已了解參與有關的目的、潛在利益和風險。所有研究程序均根據(jù)赫爾辛基宣言和千葉大學研究道德規(guī)范進行，并得到千葉大學人體實驗委員會的批準。16 名健康的年輕男性自愿參加此實驗，實驗對象的基本信息如表1所示。所有受試者均無任何肌肉骨骼或神經(jīng)系統(tǒng)疾病史，并在3個月內(nèi)無額外的肌肉訓練和體育運動。

（3）經(jīng)費使用要求：項目經(jīng)費、培訓和會議經(jīng)費支出應合理合規(guī)，區(qū)縣（自治縣）民政局婚姻登記處應加強對財務的監(jiān)管，保證項目資金的安全和正確使用。

Table 1 The information of experimental subjects

Table 2 The results of Shapiro-Wilk test and Kolmogorov-Smirnov test

Table 3 Conductivity distribution images σ in control group

Table 4 Conductivity distribution images σ in optimal voltage intensity training group

1.2.2 實驗過程

這項研究的實驗方案如圖2所示，每個實驗周期為1周，重復5周。16名實驗對象被隨機分配到對照組（control group，CG，n=8）和最佳電壓強度NMES 訓練組（optimal voltage intensity training group，OG，n=8）。對照組保持正常生活方式并不進行NMES和其他的肌肉訓練；NMES訓練組中使用商業(yè)NMES 設備進行23 min 的NMES 訓練，每周3 次，為期5 周。NMES 硅膠電極的位置如圖3中左圖所示，該電極直接與受試者的皮膚接觸。該NMES設備有一個不同的電壓值，但使用恒定的控制電流，即8 mA。刺激周期規(guī)則是4 s 刺激，4 s停頓，刺激頻率為20 Hz。在OG 中，根據(jù)以前的研究計算的最佳電壓強度被用來訓練受試者的右小腿［5］。在所有的實驗步驟中，受試者都以坐姿進行測量。

第1 天，首先在NMES 訓練前進行EIT 測量，重建人體右小腿的電導率分布圖像σ。圖4 顯示了可穿戴式傳感器的16個電極的位置和分布。然后，用BIA 測量右腿的細胞外含水量（ECW）與身體總含水量（TBW）的比率βrl（βrl=ECW/TBW），以獲取每次EIT 測量期間小腿組織水分含量的變化，該變化與小腿電導率變化有關，測量身體總含水量（TBW）τ，TBW 隨著瘦體重的增加而增加，這是由于肌肉大約73%是水份。最后，用NMES 訓練受試者的小腿肌肉23 min。

第2 天和第4 天，沒有實驗安排。要求實驗對象在日常飲食中攝入適量的蛋白質(zhì)。

第3 天和第5 天，只進行NMES 訓練。實驗對象的小腿肌肉受到NMES的刺激，持續(xù)23 min。

在CG中，除了不使用NMES訓練受試者的小腿肌肉外，實驗方案與OG的實驗方案相同。

從阻抗Z重建電導率分布圖像σ的圖像重建算法使用高斯-牛頓方法［15］，表示為：

其中J是雅可比矩陣，JT是雅可比矩陣的轉(zhuǎn)置。μ是超參數(shù)。ΔZ =[ΔZ1，…，ΔZm，…ΔZM] ??M，是頻差EIT中高頻f2= 1 kHz注入電流下的一個測量阻抗Zf2和低頻f1= 500 Hz注入電流下的另一個測量阻抗Zf1之間的阻抗差［22］，其表示方法為：

為了定量的評估肌肉電導率分布的變化，空間平均電導率<σ>被定義為：

1.3 數(shù)據(jù)分析和處理

根據(jù)之前的研究，運動訓練后小腿肌肉隔室的空間平均電導率<σ>發(fā)生了變化，因此EIT 重建圖像中的肌肉層色深也發(fā)生了變化。在NMES 刺激下，有兩個小腿肌肉隔室的電學響應明顯，分別表示為由腓腸肌組成的M1隔室和由脛前肌、趾長伸肌，及腓骨長肌組成的M2隔室，如圖3 中右圖所示。NMES 主要覆蓋在M1肌肉隔室，M1被認為主要參與腿部肌肉的快速募集，因為它以白肌纖維（II 型快?。橹鳎?3］。M1（腓腸?。┍皇湛s的同時，小腿前部M2肌肉隔室的肌肉被拉伸，M1與M2屬于拮抗肌肉對，因此M2肌肉隔室在NMES 刺激下發(fā)生的電學響應是由于肌肉機械運動產(chǎn)生，由于本研究的目的是可視化NMES 訓練對人類小腿肌肉的訓練效果，因此下面的研究重點評估了M1區(qū)間的電導率分布。所有數(shù)據(jù)均以組內(nèi)所有受試者的平均值和標準差表示。為了長期使用NMES 對人類小腿肌肉的訓練效果，將配對樣本t檢驗應用于空間平均電導率<σ>，ECW/TBW 比率值βrl，以及身體總含水量（TBW）τ，顯著性水平設定為a=0.05。使用SPSS 軟件（版本25.0）的描述性統(tǒng)計功能來檢驗實驗數(shù)據(jù)的正態(tài)分布，表2 顯示了Shapiro-wilk 檢 驗 和Kolmogorov-smirnow 檢 驗 的 結(jié)果。在α=0.05，P>0.05 的檢驗水平下，不拒絕無效假設。因此，可以認為實驗數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。

2 結(jié) 果

2.1 對照組實驗結(jié)果

表3顯示了由公式（1）和（2）得到的對照組（CG）8 名受試者右小腿的電導率分布圖像σ。在不同受試者的實驗中，肌肉層在重建圖像中很好地被識別。盡管使用所提出方法仍在不同的受試者中觀察到一些噪音，但是觀察到EIT能夠清楚檢測到小腿肌肉隔室的電學特性在對照組5周的測量中無明顯變化。

圖5a 中的實色條形圖顯示了在CG 組5周的監(jiān)測中右小腿M1肌肉隔室的空間平均電導率<σ>M1。M1的空間平均電導率從第1周的<σw1>M1=0.155到第5 周的<σw5>M1=0.154（n=8，P>0.05）沒有明顯變化。圖5b 中的實色條形圖顯示了用生物電阻抗（Inbody S10，InBody Co.，Ltd，韓國）方法測量所得右腿的細胞外含水量（ECW）與身體總含水量（TBW）的比率（ECW/TBW）βrl。ECW/TBW從第1 周的βw1rl=0.375 到βw5rl=0.375（n=8，P>0.05）沒有明顯變化。圖5b 中的實線圖顯示了用BIA 方法測量所得的身體總含水量（TBW）τ。第5 周TBW 值τw5=39.62 L 與第1 周的TBW 值τw1=39.81 L相比無明顯變化（n=8，P>0.05）。

2.2 NMES訓練組實驗結(jié)果

表4 顯示了由公式（1）和（2）得到的OG 組8 名受試者右小腿的電導率分布圖像σ，通過EIT檢測在5 周NMES 訓練中8 名受試者小腿肌肉電學特性的變化。表4顯示使用EIT方法對于檢測小腿骨骼肌在NMES 訓練下引起的小腿肌肉電學特性變化的檢測具有令人滿意的結(jié)果。電導率圖像顯示，在使用NMES訓練右小腿肌肉的第2周電導率發(fā)生顯著增加，隨后第3、4、5周仍有增加，但變化并不明顯。

圖6a中的實色條形圖顯示了NMES訓練組5周內(nèi)右小腿M1肌肉隔室的空間平均電導率<σ>M1的變化趨勢。M1的空間平均電導率從第1 周的<σw1>M1=0.159 明顯增加到第5 周的<σw5>M1=0.248（n=8，P<0.01）。圖6b中的點狀彩條圖顯示了用BIA方法測量所得右腿的細胞外含水量（ECW）與身體總含水量（TBW）的比率（ECW/TBW）βrl，ECW/TBW 也有增加趨勢，從第1 周的βw1rl=0.365 到βw5rl=0.378（n=8，P＜0.01）。圖6b中的點線圖顯示了用BIA 方法測量所得的身體總含水量（TBW）。第5周TBW 值τw5=42.22 L 與 第 一 周 的TBW 值τw1=42.25 L相比無明顯變化（n=8，P>0.05）。

3 討 論

一般來說，有兩個原因用于研究NMES訓練下人類肌肉組織的生理響應，即肌肉收縮的“血液動力學”原因和肌肉收縮的“新陳代謝”原因［24］。

在肌肉收縮的“血液動力學”原因中，一般的概念是，肌肉收縮會壓縮骨骼肌中的血管（尤其是靜脈），而松弛會引起吸力或束縛。這種現(xiàn)象稱為肌肉泵，它使血管以允許血流速度急劇上升的方式打開［25］。當骨骼肌有規(guī)律地收縮時發(fā)生的充血是正常哺乳動物組織中最大的灌注增加之一［26］，肌肉充血通常用于確定目標訓練肌肉是否得到有效訓練。已經(jīng)認識到在肌肉收縮期間骨骼肌的血流量急劇增加［27］。而且，運動過程中的血流量增加僅限于收縮肌肉，這直接作用于給定肌肉群內(nèi)被募集的纖維［28］。Currier等［29］在NMES下進行了一項血流研究，當電刺激施加于人的小腿肌肉組織時，他們發(fā)現(xiàn)，在電刺激的第1分鐘血流量便增加，并在隨后的刺激中保持相對穩(wěn)定的水平。

另一方面，是肌肉收縮的“新陳代謝”原因。肌漿肥大的主要成因是無氧代謝機制，NMES快速招募目標肌肉，會給代謝帶來很大壓力，而隨著肌纖維增大，尤其是又不怎么做有氧訓練的情況下，線粒體密度會降低，而且由于肌肉橫斷面面積增大，氧氣擴散也會變慢一點，從而導致有氧代謝效率降低［30］。因此，肌纖維隨著自身的增長，會越來越依賴于無氧代謝，產(chǎn)生與無氧代謝更相關的蛋白質(zhì)，而這些蛋白質(zhì)會將水分帶入細胞，從而使得肌漿擴大。

本研究發(fā)現(xiàn)， CG組實驗對象保持正常生活狀態(tài)，在實驗期間無任何體育鍛煉，其右小腿肌肉電學特性及右腿細胞外液體積及身體總含水量與第1周無明顯變化（圖5）。然而，OG組實驗對象在實驗期間每周一、三、五使用NMES 訓練右小腿肌肉，其右小腿肌肉M1肌肉隔室空間平均電導率<σ>M1及右腿細胞外液體積βrl與第1 周相比有相同的增長趨勢，而身體總含水量與第1周無明顯變化（圖6）。綜上所述，連續(xù)5周的EIT測量結(jié)果顯示，NMES 訓練引起被刺激肌肉隔室空間平均電導率<σ>M1的增加，且第2 周<σw2>M1增加最為明顯，之后第3、4、5周相較于上一周均有增加但增加幅度明顯小于第2 周，這意味著肌肉纖維體積在第2 周已發(fā)生明顯增加，發(fā)生肌漿肥大現(xiàn)象，之后受試者逐漸適應NMES訓練，肌肉生理響應變慢但仍在持續(xù)增長。因此，EIT能夠作為一種長期監(jiān)測方法有效的評估NMES 訓練增加人類小腿肌肉纖維體積的效果。

4 結(jié) 論

通過EIT檢測NMES下人類小腿肌肉的電學特性變化，被刺激肌肉隔室在重建圖像中很好地被識別，因此EIT方法對于檢測人類小腿肌肉在NMES下收縮所引起的電學特性及生理響應具有令人滿意的結(jié)果。使用配對樣本t檢驗方法對小腿M1肌肉隔室連續(xù)5 周測量的空間平均電導率<σ>M1和右腿細胞外液比例（ECW/TBW）βrl進行分析，結(jié)果表明，對照組實驗對象右小腿肌肉電學特性及右腿細胞外液體積及身體總含水量與第1 周無明顯變化。與對照組相比，NMES訓練組實驗對象連續(xù)5周的EIT測量結(jié)果顯示，NMES訓練引起被刺激肌肉隔室空間平均電導率<σ>M1的增加，且第2 周<σw2>M1增加最為明顯，之后第3、4、5周相較于上一周均有增加但幅度明顯小于第2周，這意味著肌肉纖維體積在第2 周已發(fā)生明顯增加，發(fā)生肌漿肥大現(xiàn)象，之后受試者逐漸適應NMES 訓練，肌肉生理響應變慢但仍在持續(xù)增長。本研究提出EIT能夠作為一種長期監(jiān)測方法有效的評估NMES 訓練增加人類小腿肌肉纖維體積的效果。