久坐對脊椎肌肉sEMG信號的影響

宋 超， 李宏汀， 王春慧， 鄭涵羚

(1. 浙江理工大學(xué) 心理研究所, 浙江 杭州 310018； 2. 中國航天員科研訓(xùn)練中心 人因工程重點實驗室， 北京 100094)

表1 不同久坐時間下sEMG信號的各指標(biāo)值

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久坐對脊椎肌肉sEMG信號的影響

宋 超1， 李宏汀1， 王春慧2， 鄭涵羚1

(1. 浙江理工大學(xué) 心理研究所, 浙江 杭州 310018； 2. 中國航天員科研訓(xùn)練中心 人因工程重點實驗室， 北京 100094)

采集18名女性受試者在不同久坐時間下，頸夾肌和豎脊肌在最大用力收縮(MVC)過程中的表面肌電(surface electromyography, sEMG)信號，分別考察其初始1.5 s的線性時頻指標(biāo)AEMG、MPF、非線性分析指標(biāo)%DET的差異，以及全程MVC過程中MPF的變化趨勢，以探討久坐對脊椎肌肉活動水平和功能狀態(tài)的影響.發(fā)現(xiàn)：在久坐前、久坐1.5 h、久坐3 h之后3種狀態(tài)下，頸夾肌和豎脊肌在MVC的前1.5 s信號中，其時頻信號AEMG、MPF及非線性信號%DET均無明顯變化；在1 min脊椎持續(xù)MVC過程中，頸夾肌MPF均呈現(xiàn)線性遞減趨勢，且下降速率依次增大；豎脊肌MPF則呈現(xiàn)線性遞增趨勢，且上升速率依次減小.由此可得，久坐對于脊椎肌肉的最大收縮力量并無影響，但是對其維持最大收縮力量的能力有所改變.

久坐；sEMG信號；頸夾?。回Q脊肌

久坐已成為大部分人的生活狀態(tài)，由此帶來的健康問題備受關(guān)注.對大眾而言，久坐最常見的姿勢是整個脊椎略呈弓形前傾，頸椎、胸椎的彎曲弧度尤其明顯，由此導(dǎo)致脊柱肌肉長時間不同程度的牽拉.據(jù)此推斷，久坐會導(dǎo)致持久的應(yīng)力加諸椎間盤等椎旁軟組織[1]，是誘發(fā)下腰疼的重要因素.但是，對于久坐是否會加速脊柱功能的衰退，以及如何影響脊柱相關(guān)肌群的功能狀態(tài)，目前尚缺乏明確的電生理學(xué)證據(jù).

表面肌電(sEMG)信號是從皮膚表面通過電極引導(dǎo)記錄下來的電生理信號，具有無創(chuàng)、實時、多靶點等優(yōu)點.傳統(tǒng)的時頻分析方法將sEMG信號視為平穩(wěn)或準(zhǔn)平穩(wěn)隨機(jī)信號[2]，通過刻畫其時間序列的振幅特征以及快速傅里葉變換，提取其功率譜的變化特征.非線性分析方法則將sEMG信號視為準(zhǔn)混沌信號，通過一系列非線性計算方法考察其特征.無論上述哪種分析方法，在控制良好的情況下，均能在一定范圍內(nèi)區(qū)別肌肉的不同活動水平和功能狀態(tài).

與日常運動或勞動所誘發(fā)產(chǎn)生的肌肉疲勞不同，久坐是通過長時間脊椎肌肉的靜態(tài)姿勢維持實現(xiàn)的.因此，長時間的靜態(tài)姿勢維持所產(chǎn)生的牽拉對于肌肉功能狀態(tài)的影響則是本實驗所要探究的關(guān)鍵問題.在諸多脊椎肌肉中，選取頸夾肌和豎脊肌為目標(biāo)肌肉，前者與頸椎勞疾有一定關(guān)聯(lián)，后者則是下腰痛發(fā)病的常見部位.研究證實，脊椎肌肉的活動水平與脊椎的屈曲角度高度相關(guān)[1]，人的久坐姿勢恰以脊椎屈曲為主，據(jù)此推斷久坐狀態(tài)中sEMG信號變化未必顯著，所以本實驗選擇脊椎最大隨意收縮時的sEMG信號作為評價依據(jù).由于參與脊椎運動的肌肉多達(dá)70余塊，很難單一測定單塊肌肉的MVC，本實驗采取了一種整個脊椎反弓的標(biāo)準(zhǔn)化姿勢作為目標(biāo)肌肉的MVC測試.為了全面獲悉久坐對目標(biāo)肌肉sEMG信號的影響，擬以2個維度分析sEMG信號：其一，目標(biāo)肌肉的活動水平即最大隨意收縮力量的輸出是否因久坐而改變；其二，目標(biāo)肌肉的功能狀態(tài)即維持最大用力過程的能力是否被影響.

1 對象和方法

1.1 實驗對象

18名女性青年志愿者參加本次實驗，年齡20.5±1.1歲、身高164.7±5.2 cm、體重49.9±3.9 kg.實驗期間受試者身體健康狀況良好，無脊椎損傷，無肌肉疲勞現(xiàn)象，實驗前72 h未進(jìn)行任何形式的劇烈運動.參加本實驗前均熟悉測試方法和各種實驗要求并簽訂實驗協(xié)議.

1.2 儀器和材料

Mega肌電信號采集系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)辦公座椅(帶垂直靠背，高43 cm),標(biāo)準(zhǔn)辦公桌(高70 cm),一次性心電監(jiān)護(hù)電極，醫(yī)用酒精，棉球，細(xì)砂紙.

1.3 測試方案

1.3.1 MVC標(biāo)準(zhǔn)姿勢

受試者雙腳站立，與肩同寬，膝關(guān)節(jié)略微彎曲，上身與地面呈45°，頸部后仰15°，雙手按住后腦，整個脊椎呈反弓姿勢.同時，要求雙手下壓后腦，頸腰背部肌肉持續(xù)最大發(fā)力，竭力使整個脊椎保持反弓姿勢.在正式測試前，受試者在實驗者指導(dǎo)下均熟練標(biāo)準(zhǔn)姿勢.

1.3.2 久坐姿勢

受試者正坐于座椅，雙腳踏于地面，保持日常的辦公或?qū)W習(xí)的習(xí)慣坐姿.持續(xù)保持上述姿勢3 h，看書、玩手機(jī)或者使用筆記本電腦.

1.3.3 測試程序

在正式實驗之前的預(yù)實驗中，對MVC標(biāo)準(zhǔn)姿勢下sEMG信號進(jìn)行重復(fù)性檢驗，結(jié)果顯示，sEMG信號的時頻以及非線性指標(biāo)均無顯著差異.同樣在預(yù)實驗中，左右側(cè)的頸夾肌和豎脊肌的信號在MVC標(biāo)準(zhǔn)姿勢下亦無明顯差異.在正式久坐實驗開始時，久坐1.5 h以及久坐3 h后均進(jìn)行1 min的脊椎MVC測試,標(biāo)準(zhǔn)姿勢由實驗者全程監(jiān)督，同時采集sEMG信號.

1.4 sEMG信號采集和分析

采用雙電極法進(jìn)行記錄.左側(cè)頸部頸夾肌以第5和第6頸椎為參照點，探測電極相距2.5 cm分別置于左側(cè)頸椎旁1 cm的肌腹部位，與肌纖維呈平行放置，參照電極置于左側(cè).左側(cè)腰部豎脊肌以第3和第4腰椎為參照點，探測電極相距3 cm分別置于左側(cè)腰椎旁1 cm的肌腹部位，與肌纖維呈平行放置，參照電極同樣置于左側(cè).采樣頻率為1 000 Hz，帶通濾波20～500 Hz，噪聲水平小于1 μV.

考察肌肉的用力水平時，分別截取2塊肌肉0.5 s～2 s的1.5 s信號.線性時頻分析用MegaWin2.01自帶的程序分別計算每段信號的平均肌電(Average EMG，AEMG)值和平均功率頻率(Mean Power Frequency，MPF)值.非線性分析方面，計算確定性線段百分比(determinism%，%DET)，具體算法參照文獻(xiàn)[3].用WEBBER等提供的相關(guān)軟件，由自相關(guān)法求出各自第1次過零點的時間，以此作為相空間重構(gòu)的延遲量τ.本研究對%DET設(shè)定的計算條件為：嵌入維度d=10，r=15，τ=6，k=3，計算長度為512點.

2 結(jié)果和討論

2.1 時域指標(biāo)AEMG在久坐中的變化

從表1可見，在久坐前、久坐1.5 h以及久坐3 h之后，女性頸夾肌和豎脊肌的時域指標(biāo)AEMG在脊椎標(biāo)準(zhǔn)化姿勢下的1.5 s內(nèi)均保持穩(wěn)定.KREKOUKIAS等[4]在考察豎脊肌在不同治療手法前后的活動水平，以及O’SULLIVAN等[5]在比較不同坐姿下腰部肌肉的用力程度時，選擇的時域指標(biāo)是RMS.本實驗選取的時域指標(biāo)為AEMG.如前所述，時域指標(biāo)從計算上反映sEMG信號在時間序列里的振幅特征，它們對于肌肉的活動水平即用力大小具有較高的敏感性[6-8].實驗發(fā)現(xiàn)，在久坐之前和久坐1.5 h甚至長達(dá)3 h之后，在MVC測試中AEMG的均值能穩(wěn)定在37和50 μV左右，可見長時間久坐對于女性脊椎肌肉的最大輸出力量并無明顯改變.此結(jié)果與之前的研究推斷一致，即久坐與運動所誘發(fā)的肌肉疲勞有所不同，長時間的靜止或輕度牽拉并不誘發(fā)肌肉的疲勞[3]，但這也是間接推斷久坐狀態(tài)下所有應(yīng)力加諸椎間盤及其他椎間軟組織從而誘發(fā)下腰痛的依據(jù).

2.2 頻域指標(biāo)MPF在久坐中的變化

與時域指標(biāo)AEMG一致，女性頸夾肌和豎脊肌在久坐前、中、后3種狀態(tài)下的MVC測試中，其頻域指標(biāo)MPF亦均未見明顯變化(見表1).相對于時域指標(biāo)，頻域指標(biāo)隨力的變化規(guī)律不甚明顯.雖然目前較多認(rèn)為該指標(biāo)在一定MVC范圍內(nèi)與力呈正相關(guān)，但其相關(guān)的范圍因受MVC%的范圍、肌肉的收縮方式、性別等諸多因素的影響而并不明確[9]，本實驗以青年女性作為被試，除了考慮到日常生活中女性更易為久坐所累外，也為了排除可能存在的肌肉激活模式及皮脂厚度的性別差異.本實驗發(fā)現(xiàn)MPF的穩(wěn)定性與AEMG的一致性，從另一方面提示久坐對女性脊椎肌肉的活動水平并無明顯影響.

2.3 非線性指標(biāo)%DET在久坐中的變化

非線性分析方法是sEMG信號分析中新近常用的方法之一，與傳統(tǒng)的快速傅里葉轉(zhuǎn)換以及小波分析方法相比，對信號本身的穩(wěn)態(tài)性、周期性和統(tǒng)計分布特點均無特殊要求，因此從理論上講，此類分析方法更適合sEMG信號.本實驗采取RQA分析方法，類似自回歸函數(shù)的方法,通過自我比較對時間序列信號的變化規(guī)律加以歸納.同傳統(tǒng)時頻分析結(jié)果一致，3種狀態(tài)下MVC測試中頸夾肌和豎脊肌的RQA分析指標(biāo)%DET亦無明顯變化(見表1).在先前的靜態(tài)肌肉收縮的力-電關(guān)系考察中，%DET在靜態(tài)step及ramp實驗中在一定MVC%范圍內(nèi)均表現(xiàn)出隨力遞減的趨勢[10-11].這也是本實驗選取%DET的依據(jù).對于其生物學(xué)意義，目前認(rèn)為是對生理信號的一種數(shù)學(xué)有序性的測度，本實驗中2塊肌肉的%DET值在3種狀態(tài)下均能穩(wěn)定在41和27左右，再次印證久坐對女性相關(guān)肌肉的MVC輸出無明顯影響.

表1 不同久坐時間下sEMG信號的各指標(biāo)值

Table 1 Values of the indices and the one-way ANOVA of SEMG signals at different sedentary times

2.4 持續(xù)收縮過程中MPF的變化趨勢

基于sEMG信號分析的肌肉功能評價中，探討的始終是2個基本問題:一是對神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動水平即用力程度或輸出功率的評估，二是對其功能狀態(tài)即MVC或最大輸出功率變化的測度.之前對1.5 s信號3個指標(biāo)的檢測，都是對目標(biāo)肌肉最大用力水平的考察.但是，長時間久坐的靜態(tài)牽拉似乎更有可能導(dǎo)致相關(guān)肌肉功能狀態(tài)的變化.本實驗選擇了脊椎MVC測試全程1 min的信號加以分析.因脊椎MVC標(biāo)準(zhǔn)姿勢的練習(xí)中，多數(shù)被試主觀報告在最后階段已經(jīng)難以維持最大用力狀態(tài)，故本實驗認(rèn)為1 min的信號長度已經(jīng)足夠反映目標(biāo)肌群的疲勞.

相對于力-電關(guān)系的評價，頻域指標(biāo)的敏感性更多體現(xiàn)為肌肉疲勞過程中的動態(tài)下降，因此本實驗考察了MPF在整個持續(xù)收縮過程中的變化趨勢.AREEUDOMWONG等[12]比較多裂肌在維持2種坐姿30 min的疲勞程度時，以MPF的變化斜率作比較，發(fā)現(xiàn)盤腿坐姿下MPF下降更快；RINGHEIM等[13]則在不同負(fù)荷坐姿30 min后以MPF、RMS的線性變化為考察指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)RMS線性遞增而MPF并無明顯變化.值得關(guān)注的是，上述2個實驗均以久坐過程中目標(biāo)肌肉的MPF的變化斜率為依據(jù)，本實驗則考察了MVC全過程中的MPF趨勢.如前所述，無特定負(fù)荷任務(wù)的久坐基本呈輕微的脊椎屈曲姿勢，為脊椎相關(guān)肌群靜止或輕度牽拉的過程，理論上不會導(dǎo)致疲勞.這也是實驗以MVC過程所誘發(fā)的疲勞來比較3種狀態(tài)下MPF變化趨勢的原因.

本實驗發(fā)現(xiàn)，在3種狀態(tài)的MVC標(biāo)準(zhǔn)姿勢維持中，頸夾肌的MPF標(biāo)準(zhǔn)化值均隨時間呈線性遞減趨勢(見圖1，p<0.05)，而豎脊肌的MPF標(biāo)準(zhǔn)化值則呈線性遞增趨勢(見圖2，p<0.05).換算成時間序列，頸夾肌在MVC姿勢下MPF每分鐘下降依次為4.9%，5.8%和13.0%.可見，3種狀態(tài)下，其下降的速率是遞增的.相對于頸夾肌，豎脊肌的MPF卻在3種狀態(tài)下呈遞增趨勢，其上升速率分別為21.3%，12.4%和6.5%.雖然其MPF均呈線性遞增，但其上升速率逐漸遞減.雖然2塊肌肉的MPF變化趨勢不同，但是久坐狀態(tài)對兩者的影響是相同的，即MPF的斜率隨之下降.目前對于MPF隨著疲勞進(jìn)程逐漸下降的生理學(xué)解釋是肌細(xì)胞內(nèi)H+離子的積累導(dǎo)致肌纖維動作電位傳導(dǎo)速度的下降.MPF斜率的下降提示久坐對于維持目標(biāo)肌肉最大輸出力量的能力有所改變.最大隨意收縮力量或者最大輸出功率的改變，是目前生理學(xué)上判斷疲勞是否發(fā)生的金標(biāo)準(zhǔn).由此，上述結(jié)果提供了久坐影響女性脊椎肌肉功能的間接證據(jù)，并可推斷:雖然久坐并不直接導(dǎo)致女性脊椎相關(guān)肌群的疲勞，但卻使其疲勞的發(fā)生變得更加容易.但是，對于腰部豎脊肌MPF在MVC收縮過程中的線性遞增趨勢，是因1 min的收縮時間不足以誘發(fā)完全的疲勞，還是因脊椎位置的不同而具有不同的激活模式，尚待進(jìn)一步研究.

圖1 持續(xù)收縮時頸夾肌MPF值的變化趨勢Fig.1 Trend of MPF during MVC of splenius cervicis

圖2 持續(xù)收縮時豎脊肌MPF值的變化趨勢Fig.2 Trend of MPF during MVC of erector spinae

3 結(jié) 論

在久坐前、久坐1.5 h、久坐3 h之后的3種狀態(tài)下，檢測女性頸夾肌和豎脊肌在脊柱肌肉最大用力收縮的前1.5 s信號，其時頻信號AEMG、MPF以及非線性信號%DET均無明顯變化.由此可知，久坐對于女性脊椎肌肉的最大隨意收縮力量的輸出無明顯改變.

在脊椎肌肉持續(xù)最大用力的1 min過程中，女性頸夾肌MPF在上述3種狀態(tài)下均呈線性遞減趨勢，且下降速率依次增大；女性豎脊肌MPF在上述3種狀態(tài)下均呈線性遞增趨勢，且上升速率依次減小.由此可知，久坐對女性脊柱肌肉維持最大輸出的能力有一定的影響.由此推斷:雖然久坐并不直接導(dǎo)致女性脊椎相關(guān)肌群的疲勞，但卻使其疲勞的發(fā)生變得更加容易.

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SONG Chao1, LI Hongting1, WANG Chunhui2, ZHENG Hanling1

(1.InstituteofPsychology,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou310018,China; 2.NationalKeyLabotaryofHumanFactorsEngineering,ChinaAstronautResearchandTrainingCenter,Beijing100094,China)

The effect of sedentary on surface electromyographic activities of lumbar muscles. Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2016,43(6):746-750

The aim of this study is to investigate the relation between sedentary and the variability of surface electromyography (sEMG) activity of lumbar muscles. Eighteen female participants performed three MVC tests (before testing,keep sitting 1.5 h and 3 h). sEMG signals were recorded from the left splenius cervicis and left erector spinae simultaneously. Results revealed that the linear indices AEMG, MPF and the non-linear indices %DET did not changed significantly in the first 1.5 s signals between the 3 MVC tests. The normalised MPF were all displayed declined linear tendency during the 1 min MVC tests for splenius cervicis, as while as the slope is steeper successively. On the contrary, for erector spinae, the normalised MPF were all displayed as inclined linear tendency during the three tests while the slope became to slow down. This study demonstrates that sedentary does not affect the MVC for spinal muscular strength, but it can change the maintenance of the MVC.

sedentary; sEMG signals; splenius cervicis; erector spinae

2015-09-21.

人因工程重點實驗室基金(SYFD1500518K).

宋 超(1978-)，ORCID:http://orcid.org/0000-0001-7049-1106,男，講師，碩士，主要從事生理心理學(xué)研究，E-mail:flex1028@zstu.edu.cn.

10.3785/j.issn.1008-9497.2016.06.021

TB 18

A

1008-9497(2016)06-746-05