肌肉减少症简称肌少症 (Sarcopenia)，是一种多发于老年人的进行性骨骼肌疾病，存在着跌倒、功能衰退、虚弱和增加死亡率等不良后果[1]。常见的物理康复方法为针对躯干和四肢肌肉群的力量训练，治疗师一般需要花费大量的时间和精力对同一个病人进行干预和治疗，然而其一般需要受试者主动配合，这对于老年人特别是已经丧失部分肌肉功能的患者来说是一种折磨，同时医院也缺少足够的物理治疗师来满足所有患者的需求。

　　神经肌肉电刺激（neuromuscular electrical stimulation，NMES）已成为现代体育锻炼的重要方式之一，可以被认为是主动运动的代替方案[2]，不需要受试者配合，在肌少症干预与治疗的漫长过程中发挥主要作用。NMES的作用原理是使运动神经纤维产生兴奋，兴奋传导至肌肉，从而引起肌纤维收缩，达到锻炼肌肉的效果[3]。

肌少症运动干预方法：传统的康复训练（左）和肌肉电刺激训练（右）

　　传统成像检测方法（计算机断层扫描CT、磁共振成像MRI、超声成像UI）能够通过对肌肉形态学变化的检测来评估NMES训练对肌肉的效果，但设备体积较大无法携带，且价格高昂，无法实现在家或者床旁的长期监测[4-6]。

　　在这种情况下，南京航空航天大学姚佳烽团队提出了一种电阻抗成像（electrical impedance tomography，EIT）技术解决了上述缺陷，成为一种通过监测在长期NMES训练下不同肌肉响应隔室电学特性来评估NMES对肌肉训练效果的新颖技术。

EIT技术原理

　　EIT是一种利用观察区域内物质阻抗分布进行成像的技术[7]。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[8]。

　　当人体骨骼肌在NMES训练下发生电学特性的分布变化时，利用EIT技术便可以检测到该变化并通过可视化的方法直观地展示。

人体小腿肌肉隔室分布

　　在NMES刺激下，有两个小腿肌肉隔室的电学响应明显，分别表示为由腓肠肌组成的M1隔室和由胫前肌、趾长伸肌、及腓骨长肌组成的M2隔室。

人体小腿肌肉的结构划分

　　NMES主要覆盖在M1肌肉隔室，M1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[9]。M1（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与M2属于拮抗肌肉对，因此M2肌肉隔室在NMES刺激下发生的电学响应是由于肌肉机械运动产生的。下面我们来看看主要针对于M1隔室进行的电学特性研究。（详情请点击阅读原文）

NMES锻炼肌肉效果

　　16名实验对象被随机均匀分配到对照组和实验组，对照组保持正常生活方式并不进行NMES和其他的肌肉训练；实验组每次进行23分钟的最佳电压强度NMES训练，每周3次，为期5周。

人体小腿肌肉的长期训练方案

　　第1天，首先在NMES训练前进行EIT测量，重建人体右小腿的电导率分布图像σ；其次，利用生物电阻抗分析法（bioelectrical impedance analysis，BIA）获取每次EIT测量期间小腿组织水分含量的变化，该变化与小腿电导率变化有关；最后，用NMES训练受试者的小腿肌肉23 分钟。

　　第2天和第4天，没有实验安排，要求实验对象在日常饮食中摄入适量的蛋白质。

　　第3天和第5天，只进行NMES训练，持续23分钟。

对照组与实验组电导率分布图像

　　可以看到，在不同受试者的实验中，肌肉层在重建图像中被很好地识别。电导率图像显示，对照组的8名受试者在5周的测量的电导率无明显变化；实验组的8名受试者在使用NMES训练右小腿肌肉的第2周电导率发生显著增加，随后第3周、第4周以及第5周仍有增加，但变化并不明显。

EIT可视化评估训练效果

　　通过EIT检测NMES下人类小腿肌肉的电学特性变化，被刺激肌肉隔室在重建图像中很好地被识别，因此EIT方法对于检测人类小腿肌肉在NMES下收缩所引起的电学特性及生理响应具有令人满意的结果。

　　连续5周的EIT测量结果显示，NMES训练引起被刺激肌肉隔室空间平均电导率的增加，且第2周增加最为明显，之后第3、4、5周相较于均有增加但增加幅度明显小于第2周，这意味着肌肉纤维体积在第2周已发生明显增加，发生肌浆肥大现象，之后受试者逐渐适应NMES训练，肌肉生理响应变慢但仍在持续增长。

　　与BIA测量数据比对后发现，右腿细胞外液体积及身体总含水量的变化趋势与5周内的电导率变化类似。因此，EIT能够作为一种长期监测方法，有效地评估NMES训练增加人类小腿肌肉纤维体积的效果。

EIT技术的未来

　　由于EIT技术具有无损伤、非侵入测量、结构简单、成本较低[10]以及可以实时成像等优点，在医学成像、临床检测、治疗和康复等领域扮演着越来越重要的角色[11]。医学电阻抗设备目前在临床上存在众多的影响因素，例如在采集人体组织的阻抗信息时易受到体位、摄入食物量、体脂含量等因素的影响，并且基于肌少症长期监测的需求，EIT长期监测鲁棒性的提高方法还有待进一步研究。

　　未来，EIT有望在临床实时监护、社区快速筛查以及便携式家庭远程医疗等多种应用场景发挥优势，共同助力健康中国2025。

　　参考文献

　　[1] Cruz-Jentoft A J, Sayer A A. Sarcopenia. Lancet, 2019, 393(10191): 2636-2646

　　[2] Black C D, Mccully K K. Muscle injury after repeated bouts of voluntary and electrically stimulated exercise. Med Sci Sports Exerc, 2008, 40(9): 1605-1615

　　[3] Muthalib M, Jubeau M, Millet G Y, et al. Comparison between electrically evoked and voluntary isometric contractions for biceps brachii muscle oxidative metabolism using near-infrared spectroscopy. Eur J Appl Physiol, 2009, 107(2): 235-241

　　[4] Kim J, Mastnik S, Andre E. EMG-based hand gesture recognition for realtime biosignal interfacing. Proceedings of the 13th International Conference on Intelligent User Interfaces, 2008: 30-39

　　[5] Barber D C, Brown B H, Freeston I L. Imaging spatial distributions of resistivity using applied potential tomography-APT//Deconinck F. Information Processing in Medical Imaging. Cham: Springer, 1984: 446-462

　　[6] Mademli L, Arampatzis A. Behaviour of the human gastrocnemius muscle architecture during submaximal isometric fatigue. Eur J Appl Physiol, 2005, 94(5-6): 611-617

　　[7] 姚佳烽, 刘夏移, 徐梓菲, 等. 基于微流控芯片的生物细胞电阻抗成像检测技术. 机械工程学报, 2019, 55(2): 1-9

　　[8] Zou Y, Guo Z. A review of electrical impedance techniques for breast cancer detection. Med Eng Phys, 2003, 25(2): 79-90

　　[9] Mademli L, Arampatzis A. Behaviour of the human gastrocnemius muscle architecture during submaximal isometric fatigue. Eur J Appl Physiol, 2005, 94(5-6): 611-617

　　[10] Yao J, Takei M. Application of process tomography to multiphase flow measurement in industrial and biomedical fields: a review. IEEE Sensors Journal, 2017, 17(24): 8196-8205

　　[11] 姚佳烽, 邓琪, 刘凯. 基于医工融合的高端医疗装备研究进展. 机械制造与自动化, 2022, 51(2): 1-4+8

　　作者简介

　　李安琪：南京航空航天大学，机电学院机械电子工程硕士研究生。主要研究方向为：航天员肌肉疲劳电阻抗检测方法。

（作者：李安琪）

（本文来源于公众号：生物化学与生物物理进展）