人类小腿肌肉对运动训练生理响应的电学特性研究_孙博.pdf
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1、Research Papers研究报告生物化学与生物物理进展Progress in Biochemistry and Biophysics2023,50(3):人类小腿肌肉对运动训练生理响应的电学特性研究*孙博1,2)Prima Asmara Sejati3)姚佳烽4)*(1)西安理工大学机械与精密仪器学院,西安 710048;2)Department of Mechanical Engineering,Chiba University,Chiba 263-0022,Japan;3)Department of Electrical Engineering and Informatics,Voc
2、ational College,Universitas Gadjah Mada,Yogyakarta 55281,Indonesia;4)南京航空航天大学机电学院,南京 210016)摘要 目的运动训练已被证明能够改善许多慢性肌肉功能疾病,被用于治疗衰老型肌萎缩。本文采用电阻抗成像(electrical impedance tomography,EIT)研究人类小腿肌肉对运动训练生理响应的电学特性,旨在使用EIT方法可视化运动训练对人类小腿响应肌肉隔室内肌肉纤维体积增加的效果。方法实验对象被要求在连续5个实验日进行左、右腿单侧提踵训练,应用EIT检测每日运动训练前和运动训练后小腿肌肉的电导率分
3、布。为了定量分析运动训练对响应肌肉隔室的作用,使用配对样本t检验分析EIT重建图像的空间平均电导率。结果运动训练后,由小腿腓肠肌组成的M1肌肉隔室空间平均电导率M1显著增加。此外,连续5个实验日的EIT测量结果显示,运动训练前的空间平均电导率M1呈上升趋势。所有实验对象在实验日1早晨进行实验前的腿部瘦体重与M1呈线性关系,即M1随腿部瘦体重增加而增加;运动训练前和训练后腿部M1肌肉隔室空间平均电导率及空间平均电导率差比的增长趋势与细胞外液体积差比率相同。结论由于电导率对细胞外水分量变化敏感,而细胞外液体积变化与肌浆肥大相关。在连续5 d的EIT测量中,空间平均电导率M1呈上升趋势,这意味着肌肉
4、纤维体积的增加,发生肌浆肥大现象。因此,EIT能够有效地评估运动训练增加人类小腿肌肉纤维体积的效果。关键词 电阻抗成像,运动训练,生理性响应,肌肉组织细胞外液体积,肌肉纤维体积,肌浆肥大中图分类号 Q4-33,Q445DOI:10.16476/j.pibb.2022.0211运动训练已被证明能优先改善许多慢性肌肉疾病,增加肌肉纤维体积,被用于治疗衰老性肌萎缩1。衰老性肌萎缩是自然衰老过程伴随着组织层面的变化,50岁后肌肉体积和质量以每年1%2%的速度流失2,尤其是II型肌肉纤维的萎缩3,这对老年人的活动能力产生了负面影响4。为了评估运动训练对增加肌肉纤维体积的效果,应该检测一段时间内接受运动训
5、练的人类肌肉电导率变化,因为电导率分布直接反映了肌肉纤维体积5。传 统 的 断 层 成 像 方 法,如 磁 共 振 成 像(magnetic resonance imaging,MRI)和双能X射线吸 收 法(dual-energy X-ray absorptiometry,DXA)6被推荐用于评估肌肉体积和质量,然而这些技术检测费用昂贵,而且不能在床旁进行长期监测7。肌肉功能物理测试,如手握力测试(hand grip strength,HGS)3、6 分钟步行测试(6-min walk test,6MWT)和医学研究委员会(Medical Research Council,MRC)肌肉量表经
6、常被用来评估肌肉功能8。然而,为了保证以上测试的准确性,观察者需要有很高的专业能力。节段性生物电阻抗谱(segmental bioelectrical impedance spectroscopy,S-BIS)具 有 区 分 细 胞 内 水 分 量(ICW)与细胞外水分量(ECW)比率ICW/ECW的能力,该比率与相位角(phase angle,PhA)和无脂肪质量(free fat mass,FFM)有关。然而,S-BIS测量结果强烈依赖于实验对象的个人信息,国家自然科学基金(62071224)资助项目。通讯联系人。Tel:18305147984,E-mail:收稿日期:2022-05-08
7、,接受日期:2022-06-08 596 2023;50(3)生物化学与生物物理进展 Prog.Biochem.Biophys.如年龄、身高和体重,这些信息在实验测量中容易产生误差。为了克服传统方法的上述困难,电阻抗成像(electrical impedance tomography,EIT)技术受到关注,它是一种利用观察区域内物质阻抗分布进行成像的技术9。由于生物体不同组织在不同的生理、病理状态下具有不同的电阻抗特性,采用各种激励模式,对人体施加安全驱动电流/电压,通过生物组织在安全激发下测量响应信息,重建人体内部的电阻抗分布图像10。基于这一原理,生物电阻抗断层成像技术发展为一种非侵入性、
8、安全无辐射、响应速度快、廉价、可在床旁长期监测的可视化方法11。因此,通过EIT研究人类小腿肌肉对运动训练生理性电导响应的趋势,从而探究运动对增加肌肉纤维体积的作用。本文采用已开发的EIT系统重建连续5个实验日运动训练前与运动训练后人类小腿肌肉隔室的电导率分布图像。通过配对样本t检验评估运动训练引起的空间平均电导率响应,从而讨论在肌肉隔室中电学特性响应的科学原因。此外,为了研究运动训练对增加人类小腿肌肉纤维体积的效果,通过比较连续5个实验日运动训练前响应肌肉隔室的空间平均电导率的变化趋势。1材料与方法1.1实验仪器EIT使用电传感器收集材料内部电特性的分布信息,电信号作为数据传输和处理的载体,
9、适当的图像重建算法用于重建对象电特性的空间分布。EIT系统通常分为3个单元(图1):a.传感器阵列,使用了16个电极可穿戴式传感器,物理场分布信息被转换为电信号,即根据物理场电特性的变化获得测量值;b.数据采集和处理单元,使用基于STM32开发的EIT硬件系统,该单元用于收集传感器处理数据;c.图像重建单元(安装Phython软件的个人计算机),该单元从测量信号重建物理场参数分布。在实际测量中,正弦电流的幅值设置为 1 mA12,并且选择1 kHz频率关注于细胞外液,因为低频电流仅穿透细胞间质13-14。1.2实验方法1.2.1实验对象根据日本千叶大学人体实验伦理道德规范,所有受试者在获得详细
10、解释后,均已阅读并签署研究的书面知情同意书,以明确参与有关研究的目的、潜在利益和风险。所有研究程序均根据赫尔辛基宣言和千叶大学研究道德规范进行,并得到千叶大学人体实验委员会的批准。7名健康的年轻男性自愿参加此实验,实验对象的基本信息如表1所示。所有受试者无任何肌肉骨骼或神经系统疾病史,并在3个月内无额外的肌肉训练和体育运动。1.2.2实验过程这项研究的实验过程如图2所示,每个实验日包括3个部分,即早晨、中午和晚上,连续5个实验日重复进行测量,左、右腿分别进行。在每个实验部分,首先使用EIT重建实验对象左小腿的电导率分布图像pre。然后,为了更安全和准确,在两名有经验的研究人员的指导下实验对象进
11、行5 min的运动训练,训练内容为30次无负重单侧提踵训练。最后,使用EIT重建实验对象在运动训练后左小腿的电导率分布图像post。右腿实验步骤与左腿相同。为保证测量结果的稳定性,在每次测量中进行连续10次测量,然后得到10次测量的平均阻抗,Fig.1Electrical impedance tomography(EIT)system孙博,等:人类小腿对运动训练肌肉生理响应的电学特性研究2023;50(3)597 使用平均阻抗进行图像重建。本研究中使用的EIT传感器是一个由16个干电极组成的可穿戴传感器。该传感器直接接触到受试者的小腿皮肤,传感器位置和电极分布如图3所示。通过邻近电流注入法,启
12、发式地选择两个阻抗测量频率 f1=500 Hz 和 f2=1 kHz,最大电流I=1 mA,以获得最清晰的(f1是参考频率,f2是观测频率)15。Table 1The information of experimental subjectsSubjects1234567GenderMaleMaleMaleMaleMaleMaleMaleAge/years23233032242230Hight/cm170167180178180175181Body mass/kg63.155.063.153.565.076.297.4BMI/(kgm-2)21.821.519.516.920.424.326.6
13、Left leg lean mass/kg7.068.578.808.829.709.8711.54Right leg lean mass/kg7.288.578.898.9510.319.9811.74Fig.3EIT sensor location and electrode distributionFig.2Human calf experiment protocol(a)Experimental schedule;(b)the specific steps in experimental protocol by using EIT(i)and locomotor training(ii
14、).598 2023;50(3)生物化学与生物物理进展 Prog.Biochem.Biophys.从阻抗Z重建电导率分布图像的图像重建算法使用高斯-牛顿方法5,表示为=JTZ-(JTJ+I)-1JTZ(1)其中J是雅可比矩阵,JT是雅可比矩阵的转置。是超参数。Z=Z1,Zm,ZM RM,是频差EIT中高频f2注入电流下的一个测量阻抗Zf2和低频f1注入电流下的另一个测量阻抗Zf1之间的阻抗差,其表示方法为Zm=Zf2m-Zf1mZf1m(2)1.3数据分析和处理为了量化运动训练对肌肉训练的效果,通过数据分析软件Python进一步对EIT重建图像进行分析。根据之前的研究,运动训练后小腿肌肉隔室中
15、的空间平均电导率发生了变化,因此EIT重建图像中的肌肉层色深也发生了变化。本文主要关注由腓肠肌组成的M1隔室和由胫前肌、趾长伸肌、及腓骨长肌组成的M2隔室(图4)。所有数据均以平均值和标准差表示。为了对实验数据使用配对样本t检验,有必要进行正态分布检验。使用SPSS软件(25.0版)的描述性统计功能来检验3部分实验数据的正态分布。表2显示了Shapiro-wilk检验和Kolmogorov-smirnov 检验的结果。在=0.05,P0.05的检验水平下,不拒绝无效假设。因此,可以认为实验数据服从于正态分布。配对的样本t检验对运动训练后与运动训练前实验数据进行了检验。显着性水平设定为0.05。
16、另外计算了两个总体的相关系数,该值从0到1表明与理想关系没有关系。使用 SPSS 软件(版本25.0)进行统计分析。配对样本t检验的检验统计量表示为t,计算如下:t=d-0sd/n(3)其中,i=1,2,3n,-d=i=1ndin为配对样本差值之平均数,sd=i=1n()di-d2n-1为配对唱本差值之标准偏差,n为配对样本数。为了量化运动对 M1和 M2肌肉隔室的训练效果,进一步使用一个专门开发的Python脚本对EIT重建的电导率分布图像进行分析。根据小腿肌肉结构的典型MRI图像,通过使用专用的Python脚本,在每个受试者中根据J来计算M1和M2肌肉隔室的空间平均电导率。在每次测量中重复
17、10次检测,即得到10帧相同状态下的电导率分布图像,通过专用的Python脚本对10次结果取平均,得到10次测量的平均电导率分布图像,在后续的分析中仅使用平均电导率分布图像做进一步分析。为了评价运动训练前和训练后(post-pre)的空间平均电导率差比M1,M2被定义为:post-preM1,M2=postM1,M2-preM1,M2preM1,M2 100%(4)其中,M1,M2和M1,M2为M1和M2肌肉隔室Tibialis anteriorPeroneus longus Extensor digitorum longusFibulaTibiaSoleusGastrocnemius(M1)
18、FrontInsideBottomM2Fig.4The structure of calf muscle compartmentsTable 2The results of Shapiro-Wilk test and Kolmogorov-Smirnov testSideLeft legRight legTimeMorningNoonNightMorningNoonNightItemM1M1M1M1M1M1df777777Pre-training partKolomogorove-SmirnovStats.0.2880.1980.2030.2960.1800.267Sig.0.0810.200
19、0.2000.0640.2000.143Shapiro-WilkStats.0.8750.9300.9130.8370.9560.871Sig.0.2030.5530.4140.0940.7860.189Post-training partKolomogorove-SmirnovStats.0.2240.1600.1840.2490.1670.180Sig.0.2000.2000.2000.2000.2000.200Shapiro-WilkStats.0.8960.9820.9570.8830.9830.955Sig.0.3080.9680.7900.2410.9720.779孙博,等:人类小
20、腿对运动训练肌肉生理响应的电学特性研究2023;50(3)599 在运动训练前和运动训练后的空间平均电导率。电导率的分布存在个体差异,为了得到一般性结论,用差分比来量化运动训练后生理响应引起的电导率分布变化。为了评估空间平均电导率的差比,运动训练前和训练后的细胞外液体积(ECW)与细胞内液体积(ICW)比值的差比post-pre被定义为:post-pre=post-prepre 100%(5)其中-pre和-post是运动训练前和运动训练后的ECW/ICW。差比量化了运动训练后对人体肌肉的影响,作为M1,M2的参考。2结果2.1EIT重建图像表3显示了在两名典型实验对象双小腿在运动训练前的电导
21、率分布图像pre和运动训练后的电导率分布图像post。本研究中,所有7名实验对象小腿双小腿在运动训练前的电导率分布图像pre和运动训练后的电导率分布图像post如附件表S1所示。EIT能够清楚检测到小腿肌肉隔室的电学特性响应和变化趋势。根据连续5个实验日的pre,电导率分布的趋势是增加的。根据每个实验日的post,电导率在运动训练后立即增加。此外,比较实验对象1左、右小腿的pre和post,在相同强度的运动训练中,左、右小腿肌肉的电导率响应几乎相同。然而,对象2在相同强度的运动训练中,相较于左腿其右腿的pre较高。据悉,实验对象2是校乒乓球队运动员,乒乓球运动经常需要右腿发力旋转身体完成扣杀动
22、作。因此,导致实验对象2右小腿肌肉较左小腿较发达。本研究中,所有7名实验对象小腿M1肌肉隔室空间平均电导率M1在连续5个实验日的变化趋势图如附件图S1所示。M1肌肉隔室被认为主要参与腿部肌肉的快速募集,因为它以白肌纤维(II 型快肌)为主16。腓肠肌被收缩的同时,小腿前部M2肌肉隔室的肌肉被拉伸,M1和 M2肌肉隔室的这些肌肉协同工作,从而完成提踵运动训练。然而,M2肌肉隔室以及位于腓肠肌深层的比目鱼肌,其肌肉纤维类型以红肌纤维(I型慢肌)为主17,因此在下面的研究中我们重点评估了M1区间的电导率分布。Table 3Conductivity distribution images pre an
23、d post in pre-and post-Locomotor trainingSubject 1Day 1Day 2Day 3Left legRight legLeft legRight legLeft leg9:00-10:00prepost13:00-14:00prepost15:00-16:00prepost 600 2023;50(3)生物化学与生物物理进展 Prog.Biochem.Biophys.Subject 2Day 4Day 5Day 1Day 2Day 3Day 4Right legLeft legRight legLeft legRight legLeft legRi
24、ght legLeft legRight legLeft legRight legLeft legContinued to Table 39:00-10:00prepost13:00-14:00prepost15:00-16:00prepost孙博,等:人类小腿对运动训练肌肉生理响应的电学特性研究2023;50(3)601 Day 5Right legLeft legRight legContinued to Table 39:00-10:00prepost13:00-14:00prepost15:00-16:00prepost2.2配对样本t检验如图 5a 所示,左腿 M1隔室空间平均电导率
25、 M1在5个实验日内不同时间段运动训练后均显著增加,如在第1个训练日:早晨,空间平均电导率从训练前的M1=0.128-增加到训练后的 M1=0.207-(n=7,P0.001),空间平均电导率差比M1=63.34%;中午,M1=0.146-增加到M1=0.223-(n=7,P0.001),M1=52.73%;傍晚,M1=0.152-增加到M1=0.229-(n=7,P0.001),M1=50.07%。另外,比较9:0010:00测量时间段连续5 dEIT测 量结果显示,运动训练前的空间平均电导率 M1呈上升趋势,第1天的M1=0.128-增加到第5天的M1=0.152-(n=7,P0.05)。
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