2型糖尿病患者自由生活状态下肌肉活动模式的全天候量化研究：坐、站、行走中的肌电特征与健康意义

本刊推荐：本研究首次利用可穿戴肌电（EMG）技术量化2型糖尿病（T2D）患者自由生活状态下股四头肌、腘绳肌和臀肌的肌肉活动水平，发现其整体肌肉活动强度较低（中位数3.3%EMGMVC），且存在显著的个体差异。研究揭示腘绳肌活动与步行时间正相关，强调步行干预对提升日常肌肉激活、改善血糖控制的重要意义，为个性化行为干预提供新依据。

　　

Abstract

在2型糖尿病成人中，研究者使用大腿佩戴的加速度计和肌电（EMG）短裤在自由生活环境中调查肌肉活动。将股四头肌、腘绳肌和臀肌的EMG信号分别归一化为等长最大自主收缩时的值（%EMG_MVC）。18名参与者（11名女性）同时佩戴设备平均3.2天。评估了全天以及加速度计衍生的坐、站、行走时间内所有三个肌群的中位EMG振幅（aEMG）。通过多元线性回归调整性别、年龄、身体成分和糖尿病病程，探讨了肌肉活动与这些行为持续时间的关联。自由生活状态下的全天aEMG为3.3%EMG_MVC（范围1.6%–6.2%），坐姿时为2.5%EMG_MVC（1.8%–3.7%），站立时为6.3%EMG_MVC（3.8%–19.8%），行走时为19.8%EMG_MVC（7.5%–34.1%）。aEMG在肌群间存在差异，臀肌和腘绳肌通常高于股四头肌。腘绳肌在坐、站、行走中的aEMG均与全天aEMG呈正相关。此外，腘绳肌的坐姿aEMG与坐姿时间呈负相关，而其站姿aEMG与行走时间呈正相关。2型糖尿病患者的日常生活整体肌肉活动较低。步行时间可能是对抗日常低肌肉活动的有效对策。高度的个体差异性凸显了个性化坐、站、行走建议的潜力。值得注意的是，在这些活动中激活腘绳肌的能力可能支持日常生活中缩短坐姿时间和延长行走时间。

1. Introduction

中断并用体育活动取代坐姿对于多个糖尿病相关的代谢健康指标至关重要，包括胰岛素和葡萄糖控制。肌肉收缩活动是体育活动益处的关键机制之一。即使是极小的骨骼肌收缩，如站立或短暂中断久坐时间，也能增加血流和肌肉细胞表面的葡萄糖转运蛋白4浓度，可能有助于观察到的血糖控制改善。

尽管肌肉活动已被确定为介导久坐和体育活动（如坐、站、行走）健康影响的关键机制，但此前尚未在自由生活条件下量化2型糖尿病患者在这些典型日常行为中激活其肌肉的程度。这些数据可能对坐、站、行走的健康影响以及基于修改这些行为的干预设计具有意义。日常坐姿和运动行为中的肌肉活动反应可能存在显著变异性，低肌肉参与时段与健康标志物负相关。股四头肌、腘绳肌和臀肌对于日常活动中维持直立姿势至关重要，并参与需要动态运动的活动，如行走。此外，这些肌肉在日常活动中的使用方式不同，导致不同的活动模式以及与健康结果的关联。因此，个体在日常活动中如何调动这些肌肉可能影响其整体健康。

可穿戴肌电（EMG）技术的进步现在允许连续、全天量化这些肌肉活动模式。在2型糖尿病中，优化日常生活中的肌肉活动模式可能是增强血糖控制的一种新方法。为了优化肌肉活动模式，了解目标人群中的变异性非常重要，包括可能因性别、其他人口统计学和健康特征而异的变化，这些与老年人群的功能独立性和移动性密切相关。然而，迄今为止，尚未在2型糖尿病患者中量化自由生活肌肉活动。

在2型糖尿病成人中，我们探讨了自由生活状态下股四头肌、腘绳肌和臀肌群在加速度计衍生的日常行为（坐、站、行走）中的活动。我们还探讨了肌肉活动与参与者特征以及他们从事坐、站、行走时间长短的关联。

2. Materials and methods

数据来自一项四臂随机交叉试验（OPTIMUS研究）的自由生活测量部分，该试验在芬兰米凯利的单中心实验室进行。每位参与者完成了一次2-3小时的基线评估和四次约7小时的实验室研究访问，期间他们被指示长时间坐着或用间歇性体育活动或站立中断长时间坐姿。此后，使用EMG和大腿佩戴加速度计设备在自由生活环境中记录数据。此处仅报告实验室实验日后 subsequent 的自由生活数据。OPTIMUS研究获得了北萨沃医院区人类研究伦理委员会的批准，并在ISRCTN试验注册处注册。所有参与者提供了书面知情同意。

2.1. Study recruitment and screening

参与者于2023年8月至2024年5月通过附近健康诊所和社交媒体招募。他们符合条件如果年龄在35至65岁之间；体重指数在25至50 kg/m²之间；医学诊断为2型糖尿病至少3个月；稳定治疗方案>3个月；不活跃（自我报告每周<150分钟中等至剧烈强度体育活动）；且久坐（自我报告每天坐姿>7小时>3个月）。排除标准包括怀孕、当前吸烟者、使用胰岛素药物、可能限制参与的主要疾病/身体问题（急性或慢性）、无法用芬兰语交流以及无法提供书面知情同意。

2.2. Study design and protocol

符合条件的参与者在实验室进行了基线评估，包括记录人口统计信息和评估人体测量学：使用标准程序测量体重、身高、腰围和臀围。然后指示参与者穿着一条紧身EMG短裤（Myontec Ltd., Kuopio, Finland）和大腿佩戴的Fibion?三轴加速度计（Fibion, Jyv?skyl?, Finland）。测量每个肌群的等长最大自主收缩（MVC）以将EMG信号归一化至最大能力（%EMG_MVC）。使用等长膝伸测量股四头肌MVC，使用等长膝屈测量腘绳肌MVC，膝关节定位在60°屈曲（0°=完全伸展）。使用等长髋伸确定臀肌MVC，髋关节定位在20°外展，膝关节在20°屈曲。每个动作进行两次热身收缩（口头指示为最大努力水平的50%）（双腿同时进行）。随后进行三次5秒最大收缩，每次努力之间休息1分钟。使用最高EMG振幅（aEMG）（1秒平均值）的最大收缩进行信号归一化。指示参与者在实验室访问后继续佩戴EMG短裤和加速度计，直到第二天上床睡觉。使用电极膏优化皮肤-电极接触，并要求他们在任何暂时移除EMG短裤后重新涂抹电极膏。提供了口头和书面指导，说明如何在淋浴或任何其他时间脱下短裤后正确重新佩戴EMG短裤，并鼓励报告可能遇到的任何困难。在测量期间，没有自我报告参与者一次脱下短裤或加速度计超过10分钟（例如，洗澡）的实例。

在第二次实验室访问时，参与者在禁食10小时后评估身体成分。使用Inbody 750生物电阻抗设备（InBody, Seoul, Korea）评估身体成分。肌肉百分比来自瘦体重，包括全身水、蛋白质、矿物质和肌肉。脂肪百分比取脂肪量除以总体重。在随后的访问中，再次提供EMG短裤和加速度计，并指示在正常生活中佩戴，包括睡觉时，直到第二天晚上上床前。

2.3. EMG measurement and data synthesis

纺织EMG短裤在参与者自由生活环境中测量股四头肌、腘绳肌和臀肌的日常肌肉活动。短裤的参考双极电极纵向放置在左右髂胫束覆盖膜的侧面。电极位于股四头肌和腘绳肌的远端区域以及臀肌中部。

EMG信号存储在附着在腰部的50克电子模块中。信号以1000 Hz采样频率记录，带通滤波在40–200 Hz（?3 dB），用24位A/D转换器数字化，增益为0，用40 ms非重叠窗口平均（至25 Hz）并保存在模块中。使用Muscle Monitor软件（Myontec Ltd, Kuopio, Finland）下载和可视化数据。接下来，将左右股四头肌、腘绳肌和臀肌的各个通道归一化到各自的最大自主收缩（%EMG_MVC）。根据先前方法，使用200 ms移动平均算法进一步平滑信号。

自动伪迹去除程序使用以下规则在5分钟滚动窗口中检测伪迹的存在：（1）如果基线>5%EMG_MVC，（2）中位值>50%EMG_MVC，或（3）最大值>300%EMG_MVC。如果一个通道包含超过30分钟的伪迹时间，则从分析中移除整个通道。伪迹段覆盖在每个通道的信号上并进行视觉检查，确认算法成功去除伪迹而不影响生理信号。校正基线漂移和伪迹去除导致138/1146个通道被移除。移除单个通道对提取的EMG结果影响最小。

2.4. Sitting, standing, and walking

Fibion?三轴加速度计（Fibion, Jyv?skyl?, Finland, 12.5 Hz, ±4 g）与EMG短裤同时佩戴，以评估坐、站、行走（任何形式的行走，不包括慢跑）期间的肌肉活动。加速度计垂直固定在大腿前侧的中线水平，上三分之一处，用医用胶带固定在EMG短裤的防水覆盖物中。参与者每天早晨填写电子睡眠日记，指示前一天晚上入睡时间和醒来时间。睡眠时间从分析中排除。Fibion的固件使用验证算法自动将数据分类为坐、站、行走分钟。对于同步分析，仅包括完全由坐姿组成或≥50秒站立或行走的分钟间隔。

2.5. Data processing, synchronization, and statistical analysis

使用R（R版本4.2.2；R统计计算基金会，维也纳，奥地利）进行分析。通过时钟时间同步EMG和加速度计信号（两个设备均从同一研究计算机启动）并进行视觉扫描，确保%EMG_MVC的连续解释与加速度计连续（分钟间隔）的MET测定匹配。在最初的95天自由生活观察中，10天因记录持续时间少于10小时被排除，8天因视觉检查后同步不良被移除，19天因缺少EMG或加速度计数据被排除，最终样本为来自18名参与者的58天同步EMG和加速度计观察。使用同步的EMG和加速度计数据，首先分析左右腘绳肌、股四头肌和臀肌群的平均aEMG（%EMG_MVC）。然后计算平均值并估计全天和加速度计衍生的行为（坐、站、行走）内的值。

由于非正态分布，使用中位数和四分位距总结aEMG数据。使用Wilcoxon符号秩检验评估配对比较中全天、坐、站、行走内肌群间（股四头肌 vs. 腘绳肌，股四头肌 vs. 臀肌，腘绳肌 vs. 臀肌）aEMG的差异。

为了检查肌肉活动与参与者特征的关联，分别对每个肌群（臀肌、股四头肌、腘绳肌）在活动类型（坐、站、行走）内进行多元线性回归分析。每个模型中的因变量是对数转换的aEMG。自变量包括2型糖尿病确诊年数、年龄、性别和身体成分指标（脂肪百分比或肌肉百分比，在单独模型中分析）。为了检查坐、站、行走aEMG与行为的关联，将它们对全天aEMG和坐、站、行走时间进行回归，调整相同的协变量。为了便于比较效应大小，所有连续预测变量在建模前进行标准化（z分数转换）。性别作为分类变量（0=女性，1=男性）包括在内。对于两个模型，计算标准化回归系数（β）以评估每个预测变量的相对贡献。进行残差诊断以确保模型假设的有效性。使用Q-Q图评估残差的正态性，并使用残差与拟合值图评估同方差性。计算方差膨胀因子（VIF）以检查预测变量之间的多重共线性：没有模型超过VIF 3.5。对于所有分析，统计显著性设定为p < 0.05，双尾。

3. Results

3.1. Participant characteristics

研究参与者的特征（n=18；11名女性）如表1所示。平均而言，参与者此前被诊断为2型糖尿病10.8（±8.0）年。参与者每天坐姿时间11.7小时（±1.4），站立2.7小时（±1.0），行走1.6小时（±0.4）。

3.2. EMG amplitudes across the whole day and during daily sitting, standing, and walking

表2显示了所有肌群以及股四头肌、腘绳肌和臀肌群在全天和坐、站、行走中的自由生活肌肉活动，而图2和补充图1显示了这些活动中aEMG的个体间变异性。自由生活aEMG中位数全天为3.3%EMG_MVC（范围1.6%–6.2%），坐姿时为2.5%EMG_MVC（1.8%–3.7%），站立时为6.3%EMG_MVC（3.8%–19.8%），行走时为19.8%EMG_MVC（7.5%–34.1%）。股四头肌的aEMG在全天以及坐姿和站立期间低于臀肌（p < 0.05）。站立期间，股四头肌aEMG也低于腘绳肌。坐姿期间，腘绳肌aEMG低于臀肌，而行走期间，腘绳肌表现出比臀肌更高的aEMG。

3.3. Associations between participant characteristics and aEMG

图3显示了每个肌群（臀肌、股四头肌、腘绳肌）的全天和活动类型时段（坐、站、行走）aEMG与参与者特征的关联。

未发现年龄与全天、坐、站、行走aEMG有实质性关联。调整协变量后，年龄在调整脂肪或肌肉百分比时与股四头肌全天aEMG呈小的正关联（β [95% CI]: 0.6 [0.2, 1.0]）。

此外，未发现其他参与者特征与全天、坐、站、行走aEMG有实质性关联。男性在肌肉百分比模型中与全天腘绳肌aEMG呈小的负关联（β [95% CI]: ?1.9 [?3.5, ?0.3]），并在两个模型中行走期间：脂肪百分比模型中（β [95% CI]: ?2.0 [?3.4, ?0.5]），和肌肉百分比模型中（β [95% CI]: –2 [?3.7, ?0.8]）。

3.4. Associations between sitting, standing, and walking aEMG with whole day aEMG and time spent sitting, standing, and walking

行为特异性aEMG（%EMG_MVC）与全天aEMG和行为持续时间的关联如图4所示，并在补充表1中总结。腘绳肌在坐、站、行走期间的aEMG与全天aEMG呈正相关，包括使用体脂（坐姿：β [95% CI]: 0.25, [0.16, 0.33]，站立：0.18, [0.07, 0.30]，行走：0.26, [0.14, 0.37]）和骨骼肌（坐姿：0.24, [0.16, 0.33]，站立：0.17, [0.06, 0.29]，行走：0.25, [0.14, 0.37]）作为混杂变量。臀肌和股四头肌的行为特异性aEMG（%EMG_MVC）与全天aEMG和行为持续时间的关联不显著。发现腘绳肌坐姿aEMG与坐姿时间呈负相关（?0.67, [?1.18, ?0.17]），并与站立aEMG（0.45, [0.04, 0.85]）和行走时间（0.24, [0.05, 0.42]）呈正相关，其中体脂而非骨骼肌作为潜在混杂协变量包括在内。

4. Discussion

在2型糖尿病中，可穿戴EMG提供了不同活动相对肌肉强度的洞察，有助于理解其生理影响和潜在健康意义。这些信息可能支持制定更有效的策略以改善代谢健康。据我们所知，这是第一项在2型糖尿病中量化自由生活坐、站、行走期间大腿和臀肌肌肉活动的研究：这是一种肌肉活动是血糖控制关键因素因而疾病管理关键的病症。全天肌肉活动平均仅为参与者最大自主收缩能力的3.3%，并在坐、站、行走之间和内部表现出高的个体间变异性。aEMG值表现出显著的个体间变异性，坐姿期间范围1.8%至3.7% EMG_MVC，站立期间3.8%–19.8%，行走期间7.5%–34.1%。这一广泛范围突显了所有活动类型个体间肌肉活动的显著差异。腘绳肌在坐、站、行走中较高的aEMG与更长的全天肌肉活动和更长的行走时间相关。这表明，针对减少久坐行为的干预措施（糖尿病管理指南中推荐）可能在增加肌肉活动方面取得 varying 成功，取决于个体以及坐姿是被站立还是行走中断。

先前一项调查无2型糖尿病的健康老年人（年龄71±2.9岁）自由生活肌肉活动的研究报告每日aEMG为5.9%，高于本研究（3.3%）。这与加速度计发现一致，其中2型糖尿病患者比年龄匹配的血糖正常对应者更久坐和更不活跃。与加速度计不同，可穿戴EMG可以量化大腿和臀肌的相对使用，提供对日常活动中肌肉激活模式更深入的洞察。2型糖尿病与肌肉质量、力量和步行速度减少相关，与血糖正常的老年人相比。神经病变、糖化血红蛋白HbA1c和糖尿病病程的增加与力量减少相关。在2型糖尿病患者中，以及健康老年人中，肌肉力量损失在大腿最为明显，特别是股四头肌，这似乎特别容易受到年龄相关肌肉质量损失的影响。这些大腿肌肉质量和力量的下降可能影响2型糖尿病的日常功能能力。使用可穿戴EMG量化并归一化至最大自主激发的平均aEMG与肌肉力量正相关。因此，尽管本研究未直接测量肌肉力量，aEMG可被视为习惯性生活中相对肌肉强度的度量。

在本研究相对同质和小样本中，糖尿病病程与总或活动特异性aEMG无显著关联。我们发现年龄与全天股四头肌aEMG正相关，在控制肌肉和脂肪百分比后，表明老年人在日常生活中使用更高比例的股四头肌能力。尽管统计显著，效应较小，表明年龄起作用，但其对股四头肌aEMG的影响在此队列中不强。这可能反映年龄相关的神经肌肉适应，如补偿激活以维持姿势稳定性、运动单位募集变化、肌肉共收缩策略、较低肌肉质量或年龄相关肌肉萎缩。然而，未观察到坐、站或行走aEMG的这种关联。值得注意的是，我们仅在这些活动的完整连续分钟内量化aEMG。因此，其他活动或其模式，如老年人较长的坐-站转换持续时间，可能解释年龄与全天aEMG的关联，其作用应在未来研究中评估。

与女性相比，男性在两个模型中行走期间腘绳肌aEMG较低，并在控制肌肉百分比后全天较低。男性通常具有更大的肌肉质量和力量，这可能改变运动控制策略并减少行走期间对腘绳肌激活的依赖。先前一项EMG研究表明，男性和女性之间这些相对力量差异可能导致在离散功能任务中观察到女性比男性更大的肌肉活动。然而，这些效应可能是活动依赖性的，鉴于未观察到坐或站立条件的显著关联，且个体变异性可能是主要解释因素。

站立和行走中最高的肌肉活动（aEMG）见于腘绳肌，这可能 due to 它们在姿势控制和步态力学中的关键作用。此外，腘绳肌在坐、站、行走中较高的相对肌肉活动与更长的全天肌肉活动和更长的行走时间相关。腘绳肌坐姿aEMG也与坐姿时间负相关，表明具有较高坐姿相对肌肉活动的个体累积较少的坐姿时间。这与加速度计和可穿戴EMG研究的先前发现一致，这些研究显示短坐姿时段期间活动较高，而长时间坐姿期间活动减少。总的来说，这些结果突显了腘绳肌激活在促进更大整体肌肉活动、减少久坐时间和增加行走时间中的作用。此外，本研究中使用的这三个肌群增加的活动与改善的血糖控制相关。尽管本研究未评估肌肉活动与血糖控制标志物（例如，空腹葡萄糖或胰岛素敏感性）的直接关联，先前的实验证据支持肌肉激活在葡萄糖代谢中的机制相关性。值得注意的是，最近一项研究发现，在适度减少坐姿时间后，腘绳肌而非股四头肌的胰岛素敏感性改善，可能 due to 低强度姿势活动。相比之下，更动态的运动似乎通过增加股四头肌和臀肌的激活引发更大的血糖反应。这些观察表明，虽然所有三个肌群具有相似的结构特征，但它们在日常活动中的代谢作用可能不同，自由生活条件下可能需要更高强度的运动来充分 engagement 股四头肌和臀肌。

2型糖尿病的实验研究表明，用轻度体育活动代替坐姿时间可以急性改善葡萄糖增量AUC（iAUC）、甘油三酯水平和胰岛素敏感性。通过轻度体育活动和站立时间结合减少坐姿时间也已被证明对绝经后女性的胰岛素敏感性有积极影响，并且站立或轻度强度行走已被证明可以降低高风险或诊断为T2D个体的餐后葡萄糖。然而，实验室环境外的久坐行为干预仅导致身体测量学、葡萄糖代谢、脂质代谢和血压的平均 modest 改善。这些试验主要通过坐-站工作站用站立代替坐姿时间，实现的运动变化相对最小，这可能部分解释与血糖结果的有限关联。总的来说，证据表明，除了仅用站立代替坐姿外，个体可能需要 incorporate 更多运动和 ambulatory 活动以实现对葡萄糖代谢的更大益处。我们在2型糖尿病中的发现与这一证据一致，证明站立仅需要一些个体很少的肌肉活动，并且仅增加站立时间可能不足以改善所有个体的血糖控制。

本研究强调，2型糖尿病患者在坐、站、行走期间大腿和臀肌群的活跃程度存在相当大的差异，表明一些个体可能在这些活动中自然更多地激活他们的肌肉，而其他个体可能需要更高的活动强度或特定干预来实现类似的肌肉活动。我们发现一些参与者的站立肌肉活动水平与他们的行走肌肉活动水平相似。个性化干预方法，利用对个体独特“肌印”（myoprint）的理解——他们在日常行为中特征性的EMG活动模式——可能有助于告知未来的预防和管理方法并指导行为选择，特别是在未来受控干预研究的支持下。

本研究的主要优势是对2型糖尿病自由生活日常行为中肌肉活动的新洞察。加速度计和可穿戴EMG服装的同步使我们能够表征不同日常行为期间的肌肉活动，并总结佩戴设备的整个全天的肌肉活动，提供了关于个体内和个体间肌肉活动的强大视角。加速度计无法测量肌肉的直接收缩，并且缺乏将其数据归一化到相对能力的共识，而这对于EMG测量是可能的。

我们的研究有几个局限性。本研究未包括对照组，例如无2型糖尿病的参与者，这将便于进行比较并推断糖尿病状态可能与行为和肌肉活动相关。因此，我们只能与先前在更健康参与者中进行的实验室研究进行比较。使用的EMG测量仅代表位于电极下方的表层肌群，并不代表其他对直立和 ambulatory 运动在日常行为中也很重要的下肢或上肢肌肉。然而，由于大腿肌肉在坐、站、行走中起重要作用，并且大腿肌肉萎缩在2型糖尿病中特别普遍，这使得使用EMG短裤具有潜在相关性。我们的同步数据并未准确显示坐-站转换发生的时间。此类转换及其时间可能具有 distinct 健康益处。检查坐-站转换令人感兴趣，鉴于2型糖尿病患者可能比血糖正常的成年人需要更长时间和更大的肌肉努力来完成这类运动。测量持续时间（每名参与者平均3.2天）相对于常用的7天加速度计佩戴期较短。然而，先前研究报告了较短EMG测量持续时间的充分 test-retest 可重复性。在自由生活条件下使用可穿戴EMG和加速度计设备的一个实际限制 evidenced by 我们因同步问题排除了27%的天数。然而，我们先前证明移除单个通道对提取的EMG结果影响最小。还应注意，我们的发现主要由同步数据驱动：检查坐、站、行走事件内的EMG，而不是检查活动总量以量化和确定“典型”日。未来，延长佩戴期（如可能）将增进我们对日间肌肉活动变异性的理解。

总之，我们已经表明2型糖尿病患者的日常肌肉活动较低，中位数为其最大能力的3.3%（范围1.6%–6.2%）。我们观察到行走可以比站立更全面地激活下肢肌肉，因此更有效地增加全天自由生活肌肉活动。这些结果突显了腘绳肌激活在促进更大整体肌肉活动、减少久坐时间和增加行走时间中的作用。坐、站、行走肌肉活动因个体而异，突显了在2型糖尿病中最大化肌肉活动的个性化方法的潜力。

Acknowledgments

作者感谢研究参与者的贡献。研究结果清晰、诚实呈现，无伪造、篡改或不适当数据操纵。AJP是Fibion Inc.的联合创始人兼首席科学官。