駕駛振動(dòng)所致局部肌肉疲勞的肌電信號(hào)分析

張 鄂，畢朝瑞，張俊峰，張 帆

(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049;2.西安外事學(xué)院 工學(xué)院，西安 710077;3.西安體育學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，西安 710078;4.西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，西安 710055)

動(dòng)態(tài)環(huán)境下的陸、海、空各種運(yùn)載工具(汽車、坦克、船舶、飛機(jī)、航天器等)工作時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。這種振動(dòng)將會(huì)引起駕駛員的人體肌肉疲勞，其中以腰部疲勞和上肢疲勞最為常見。長期處于疲勞狀態(tài)可導(dǎo)致慢性肌肉骨骼損傷。因此，研究動(dòng)態(tài)振動(dòng)環(huán)境對(duì)人體的影響已成為人機(jī)工效學(xué)領(lǐng)域的1 個(gè)重要課題［1］。傳統(tǒng)的肌肉疲勞評(píng)價(jià)方法是通過測(cè)定血液中的乳酸含量來進(jìn)行的，但該方法有損傷性，不易被駕駛員接受。隨著當(dāng)代科技的發(fā)展，由于表面肌電圖法(surface electromyography，sEMG)具有無創(chuàng)、簡(jiǎn)便、動(dòng)態(tài)、多靶點(diǎn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，使其成為評(píng)價(jià)局部肌肉疲勞的有效工具，并且是神經(jīng)肌肉功能監(jiān)測(cè)的常用方法［2-3］。目前，表面肌電信號(hào)在臨床醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)、工效學(xué)及運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文通過模擬人-車系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用表面肌電測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)不同振動(dòng)環(huán)境下人體保持駕駛姿勢(shì)時(shí)受力集中部位肌肉的表面肌電信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行時(shí)、頻域分析，研究不同動(dòng)態(tài)振動(dòng)環(huán)境對(duì)人體肌肉疲勞的影響，為更好地將表面肌電圖法用于駕駛疲勞評(píng)價(jià)的研究提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 表面肌電圖法

表面肌電信號(hào)是從皮膚表面通過電極引導(dǎo)、放大、顯示和記錄下來的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)，他是1 種微弱的電信號(hào)(幅度在100 ～5 000 μV)。研究表明，肌電信號(hào)的幅度及譜能量不僅與肌肉疲勞狀態(tài)有關(guān)，而且與測(cè)試狀態(tài)下肌肉力大小有關(guān)，因此肌電信號(hào)常用于肌肉活動(dòng)狀態(tài)與疲勞狀態(tài)的分析、康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的肌肉功能評(píng)價(jià)、人機(jī)工效學(xué)領(lǐng)域肌肉工作的工效學(xué)分析以及體育科學(xué)中的疲勞評(píng)定［4-6］。

應(yīng)用sEMG 信號(hào)分析來評(píng)價(jià)肌肉疲勞主要集中在時(shí)、頻域分析2 個(gè)方面。時(shí)域分析是將肌電信號(hào)看作時(shí)間的函數(shù)，用來刻畫時(shí)間序列信號(hào)的振幅特征，主要包括積分肌電值(integrate EMG，iEMG)和均方根值(RMS)，其計(jì)算公式如下:

頻域分析主要是對(duì)sEMG 信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，獲得sEMG 信號(hào)的頻譜或功率譜，反映sEMG 信號(hào)在不同頻率分量的變化，故能較好地在頻率維度上反映sEMG的變化特征。為定量刻畫sEMG 頻譜或功率譜的變化特征，目前頻域常采用以下2 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，即中值頻率(median frequency，MF)和平均功率頻率(mean power frequency，MPF)，其計(jì)算公式如下:

式中:f 為表面肌電信號(hào)(sEMG signal)的頻率;P(f)為其功率譜密度函數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)條件及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

進(jìn)行振動(dòng)環(huán)境下人體肌肉疲勞影響的表面肌電信號(hào)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，采用西安206 研究所已有的美國UD 公司SA30 -S802/ST 電磁振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和西安體院已有的芬蘭Mega 公司的ME6000 - T16 表面肌電測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)在振動(dòng)臺(tái)上模擬搭建了乘駕實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)設(shè)備及過程如圖1 所示。其中，SA30 -S802/ST 振動(dòng)臺(tái)可進(jìn)行正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)、沖擊加隨機(jī)振動(dòng)等實(shí)驗(yàn)，最大推力可達(dá)3.5 T，激振頻率為2 ～2 500 Hz，激振最大加速度可達(dá)50 g。ME6000 -T16 表面肌電測(cè)試系統(tǒng)主要由ME6000 -T16 表面肌電測(cè)試儀、心電監(jiān)護(hù)電極以及MegaWin2.4 軟件系統(tǒng)組成。通過該系統(tǒng)可對(duì)受試者的肌電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和分析。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及過程

由人機(jī)工程學(xué)可知［7］，振動(dòng)對(duì)人體的影響主要取決于振動(dòng)強(qiáng)度，其次是振動(dòng)頻率和振動(dòng)的暴露時(shí)間。而振動(dòng)強(qiáng)度一般是用加速度有效值來計(jì)量的，故參照ISO2631 標(biāo)準(zhǔn)將振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的加速度分為如下5 種，即0.03 g、0.06 g、0.1 g、0.15 g和0.2 g?；谄囌駝?dòng)一般是80 Hz 以下的低頻振動(dòng)［8］。研究表明，人體在低頻狀態(tài)容易產(chǎn)生共振，如在4 ～8 Hz，10～12 Hz 時(shí)最容易與人體內(nèi)臟器官產(chǎn)生共振，這種現(xiàn)象將影響肌肉系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、血液循環(huán)系統(tǒng)、植物神經(jīng)系統(tǒng)和感官系統(tǒng)等［9］，直接導(dǎo)致人體不舒適性，為此本實(shí)驗(yàn)的激振頻率選擇為0 ～30 Hz。

由于本文主要針對(duì)動(dòng)態(tài)汽車駕駛狀態(tài)來研究其振動(dòng)環(huán)境對(duì)人體肌肉疲勞的影響，因此人體監(jiān)測(cè)部位特選擇坐姿狀態(tài)下人體保持駕駛姿勢(shì)時(shí)受力集中的部位，即人體上臂部的肱二頭肌、大腿后部的股二頭肌和腰部的豎脊肌，見圖1 中(c)，他們也是汽車駕駛艙人-機(jī)操控界面和人-機(jī)接觸界面中駕駛員工作時(shí)十分重要的3 塊骨骼肌。

2.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

共選擇20 名受試者參加振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，他(她)們均為在校本科生及研究生(其中男性16 名，女性4 名)，平均年齡25.4歲，平均身高170.3 cm，平均體重61.8 kg。全體受試者為身體健康，無骨骼、肌肉疾病的成年人。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)主要模擬駕駛艙環(huán)境人體坐姿體位下的振動(dòng)條件，整個(gè)體位操作任務(wù)在模擬振動(dòng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，首先在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上搭建座椅并固定，通過MegaWin 軟件設(shè)定好人體測(cè)量部位;接著為受測(cè)者的測(cè)試部位貼附監(jiān)護(hù)電極，受測(cè)者在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上模擬坐姿狀態(tài)時(shí)的實(shí)際駕駛姿勢(shì);然后振動(dòng)臺(tái)按預(yù)定的振動(dòng)環(huán)境施加振動(dòng)激勵(lì)，通過ME6000-T16 表面肌電測(cè)試儀采集和記錄各測(cè)試部位的表面肌電信號(hào)。將采集的原始SEMG 數(shù)據(jù)以mxf 及asc 的文件保存，并將所獲得的數(shù)據(jù)取其平均值，整理成表，與振動(dòng)參數(shù)對(duì)應(yīng)來分析肌電信號(hào)的時(shí)、頻域變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，共進(jìn)行了5 種振動(dòng)強(qiáng)度(激振加速度分別為0.03 g、0.06 g、0.1 g、0.15 g 和0.2 g)的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。激振頻率選為5 ～30 Hz，采用掃頻振動(dòng)。每一加速度下激振20 min，每5 min 完成1次掃頻(5 ～30 Hz)，同時(shí)進(jìn)行肌電信號(hào)采集，即每5 min 采集1次包括初始值在內(nèi)的5 個(gè)時(shí)間點(diǎn)值(0，5，10，15，20 min)，利用時(shí)間點(diǎn)與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，了解振動(dòng)頻率由低向高變化過程中的肌電變化情況，整個(gè)實(shí)驗(yàn)共需100 min。為了配合振動(dòng)環(huán)境下人體肌肉疲勞過程的肌電分析，實(shí)驗(yàn)中還進(jìn)行了各振動(dòng)環(huán)境下的人體主觀感受實(shí)驗(yàn)，即記錄不同振動(dòng)環(huán)境下人體疲勞的直觀反映，以便與肌電信號(hào)的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

脫機(jī)處理用MegaWin2.4 軟件對(duì)20 名受試者各振動(dòng)全過程的sEMG 信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析。本文的時(shí)域分析主要計(jì)算被采集的肌肉組織肌電信號(hào)的積分肌電值(iEMG)，該iEMG 值是取20 名受試者iEMG 值的平均值。進(jìn)行頻域分析時(shí)，先將記錄的表面肌電圖原始波形進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)平均化處理。由于中值頻率(MF)能夠有效反映肌肉的疲勞過程變化［12-13］，故本研究的頻域分析主要采用MF 來進(jìn)行。

3.2 sEMG 樣本的時(shí)域分析

圖2為采集的一受試者在不同振動(dòng)加速度下各局部肌肉的sEMG 原始圖形。通過時(shí)域分析得到的各加速度下肌電信號(hào)的積分肌電值(iEMG)見表1，該iEMG 值為20 名受試者iEMG 值的平均值。

圖2 不同加速度下的原始肌電圖

表1 各加速度下肌電信號(hào)的積分肌電值( iEMG) /μVs

由表1 可見，隨著振動(dòng)加速度的增大，整體肌肉表面肌電的iEMG 亦隨之增大，表明肌肉活動(dòng)愈加劇烈，愈使人的疲勞度不斷增強(qiáng)。這一變化情況還可從圖2 所示的肌電圖波形中明顯看出，即肌電信號(hào)的變化幅值隨著振動(dòng)加速度的增大而顯著增大。由表1 還可看出，在同一振動(dòng)加速度下，各局部肌肉肌電圖的iEMG 變化值也各不相同，表明各塊肌肉對(duì)振動(dòng)加速度的疲勞敏感度各有差異。此外，由表1 可見，隨著振動(dòng)加速度的增強(qiáng)，肱二頭肌和豎脊肌的iEMG 值變化要比股二頭肌更為強(qiáng)烈;當(dāng)振動(dòng)加速度達(dá)0.1 g 后，股二頭肌的iEMG 值開始發(fā)生驟變。

3.3 sEMG 樣本的頻域分析

3.3.1 整體肌肉中值頻率( MF) 變化趨勢(shì)

1)不同振動(dòng)加速度下整體肌肉MF 的變化特點(diǎn)

將20 名受試者在不同振動(dòng)加速度下實(shí)驗(yàn)采集的各塊肌肉表面信號(hào)(sEMG)，運(yùn)用頻譜分析得到MF 變化數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，其變化如圖3 所示。為了便于比較MF 在各振動(dòng)加速度下的變化規(guī)律，對(duì)不同加速度下隨時(shí)間變化的MF 值進(jìn)行了一元線性回歸分析(見圖3)。

由圖3 可見，隨著振動(dòng)加速度的增大，各塊肌肉MF 變化幅度明顯增大。在10，20 min 即低頻處各肌肉MF 值達(dá)到最低，表明低頻更容易使各肌肉達(dá)到疲勞。而在5，10 min 高頻處，各肌肉MF 出現(xiàn)峰值，表明在這段時(shí)間內(nèi)，肌肉發(fā)生了疲勞恢復(fù)，且恢復(fù)程度大大高于時(shí)間累積引起的疲勞，這與文獻(xiàn)［10］和文獻(xiàn)［11］對(duì)肌肉疲勞所得的研究結(jié)果相符，即肌肉發(fā)生疲勞時(shí)，MF 值低，而肌肉發(fā)生疲勞恢復(fù)時(shí)，MF 值高。

此外，由回歸分析可見，在同一振動(dòng)加速度下，股二頭肌的MF 值下降速度最快，肱二頭肌次之，而豎脊肌下降速度較遲緩，表明豎脊肌較肱二頭肌和股二頭肌更易疲勞。

2)振動(dòng)頻率f 對(duì)整體肌肉MF 的影響

振動(dòng)頻率f 對(duì)整體肌肉MF 的影響如圖4 所示。由圖4可見，5 種振動(dòng)加速度下MF -f 曲線的共同變化趨勢(shì)是:在20 Hz 以下，各肌肉MF 值曲線斜率較大，而20 Hz 后整體肌肉MF 值曲線較平坦。由圖4 還可看出，振動(dòng)頻率f 對(duì)各肌肉MF 值的影響程度也各有差異。在被監(jiān)測(cè)的三位置中，肱二頭肌對(duì)頻率的敏感度最強(qiáng)，而股二頭肌、豎脊肌對(duì)頻率的敏感度依次降低。另由圖4 可見，當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)度達(dá)0.2 g 時(shí)，3塊肌肉的MF 值曲線在其幅值以及變化趨勢(shì)上已基本雷同，可見這一振動(dòng)加速度對(duì)3 塊肌肉疲勞影響效應(yīng)幾乎相同。

3.3.2 局部肌肉中值頻率( MF) 的變化分析

1)不同振動(dòng)加速度下各局部肌肉MF 變化趨勢(shì)

經(jīng)頻域分析得到的不同振動(dòng)加速度下各局部肌肉MF的變化趨勢(shì)如圖5 所示。由圖5 可見，隨著振動(dòng)加速度的增大，各局部肌肉MF 均降低，即肌肉疲勞程度加劇。

2)振動(dòng)頻率f 對(duì)各局部肌肉MF 值的影響

圖6為各局部肌肉MF 值隨振動(dòng)頻率f 的變化情況。由圖6 可見，各局部肌肉MF 值隨振動(dòng)頻率的增加均呈上升趨勢(shì)。其中，振動(dòng)頻率f 在5 ～20 Hz 期間，MF 值上升最快，即該頻率段對(duì)各局部肌肉MF 值的影響最大;在20 Hz 后，各局部肌肉的MF 曲線斜率降低，曲線的變化趨勢(shì)變緩。

圖7為各局部肌肉MF 與振動(dòng)加速度、頻率及振動(dòng)時(shí)間的關(guān)系圖。由圖7 可以看出:隨著振動(dòng)加速度的增大，各肌肉中值頻率MF 震蕩趨勢(shì)加劇;且振動(dòng)加速度愈大，MF 值愈低，表明肌肉的疲勞程度隨之加深。其中，肱二頭肌在低頻段(即10 min 和20 min 處)加速度為0.1 g 和0.15 g 時(shí)，疲勞現(xiàn)象明顯;而豎脊肌在加速度為0.03 g 和0.1 g 時(shí)，疲勞現(xiàn)象已相當(dāng)明顯。與上述2 塊肌肉不同，股二頭肌在加速度為0.03 g 時(shí)，MF 值始終維持在較高值，且變化緩慢，隨著加速度的增大，MF 值下降，開始出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，表明股二頭肌的疲勞恢復(fù)能力要明顯低于前2 塊肌肉。

3.3 振動(dòng)環(huán)境下人體主觀感受的評(píng)價(jià)及分析

為研究振動(dòng)環(huán)境對(duì)人體肌肉疲勞的影響，在對(duì)各肌肉sEMG 監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，本文對(duì)應(yīng)不同的振動(dòng)環(huán)境同時(shí)進(jìn)行了受試者的主觀感受評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。表2 為對(duì)應(yīng)環(huán)境下的主觀感受記錄表。在激振加速度為0.03 g 時(shí)，因振動(dòng)強(qiáng)度較小，受試者基本無不舒適感，故表2 只列出了激振加速度從0.06 g 到0.20 g 時(shí)的人體主觀感受。

圖3 不同振動(dòng)強(qiáng)度下整體肌肉MF 的變化趨勢(shì)

圖4 振動(dòng)頻率f 對(duì)整體肌肉MF 值的影響

圖5 不同振動(dòng)強(qiáng)度下各局部肌肉MF 變化情況

圖6 各局部肌肉MF 值隨振動(dòng)頻率的變化趨勢(shì)

圖7 各局部肌肉MF 與振動(dòng)強(qiáng)度、頻率及振動(dòng)時(shí)間的關(guān)系

表2 主觀感受記錄表

由表2 可見，振動(dòng)環(huán)境的主要因素，即振動(dòng)強(qiáng)度(加速度)、振動(dòng)頻率及受振時(shí)間均會(huì)對(duì)人體舒適性及肌肉疲勞產(chǎn)生影響:①隨著振動(dòng)加速度的增大，人體的不適感增強(qiáng)，當(dāng)加速度增至0.2 g 時(shí)，受試者普遍出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的全身疲倦、出汗和持續(xù)的頭暈和惡心感，個(gè)別受試者甚至出現(xiàn)視線模糊等癥狀;②當(dāng)振動(dòng)時(shí)間在5 ～10 min，加速度為0.15 g 和0.2 g 時(shí)，受試者胃部出現(xiàn)不適，并有惡心的癥狀，此時(shí)振動(dòng)頻率f為8 ～12 Hz，對(duì)應(yīng)坐姿人體振動(dòng)系統(tǒng)的第2 共振峰［7］，導(dǎo)致腹部產(chǎn)生共振，使人體出現(xiàn)不適感;③隨著受振時(shí)間的增長，人體不舒適感逐漸增加，受試者普遍出現(xiàn)腿部肌肉酸痛、胸部振動(dòng)幅度增大、胸悶惡心等感覺。

4 結(jié)論

1)綜合sEMG 信號(hào)的時(shí)域與頻域分析可知，振動(dòng)環(huán)境會(huì)直接影響人體肌肉疲勞過程，不同的振動(dòng)強(qiáng)度(即加速度)及激振頻率均會(huì)對(duì)人體肌肉疲勞及乘坐舒適性產(chǎn)生不同影響。

2)對(duì)振動(dòng)環(huán)境下的人體肱二頭肌、豎脊肌、股二頭肌的sEMG 分析結(jié)果，結(jié)合振動(dòng)環(huán)境下的人體主觀感受表明，運(yùn)用sEMG 信號(hào)的時(shí)、頻域分析來評(píng)價(jià)振動(dòng)環(huán)境下駕駛員的肌肉疲勞狀態(tài)及其人體舒適性是可行的，其研究結(jié)果可為動(dòng)態(tài)環(huán)境的人-車界面設(shè)計(jì)的舒適度評(píng)價(jià)提供重要技術(shù)參考。

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