攀登狀態(tài)下肌肉疲勞特性分析

郭 勝,王亞平

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

攀登是單兵的一種典型戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，也是士兵體能訓(xùn)練項(xiàng)目。肌肉疲勞通常是肌肉運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)最大作功能力或者最大收縮能力的暫時(shí)下降[1]。表面肌電(surface electromyogram,sEMG)信號(hào)是從皮膚表面通過(guò)電極引導(dǎo),記錄下來(lái)的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的生物電信號(hào)，與肌肉的活動(dòng)狀態(tài)和功能狀態(tài)之間存在著不同程度的關(guān)聯(lián)性[2]。表面肌電信號(hào)中用于評(píng)價(jià)肌肉特性的指標(biāo)眾多，和人體肌肉疲勞特性相關(guān)的主要指標(biāo)有：積分肌電(IEMG)值、平均功率頻率(MPF)、中值頻率(MF)等[3]。

與攀登動(dòng)作密切關(guān)聯(lián)的肌肉有：股外側(cè)肌、股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、脛骨前肌、比目魚(yú)肌和腓腸肌外側(cè)等[4]。如何在眾多指標(biāo)中選取顯著體現(xiàn)疲勞特性的參數(shù)，是人們進(jìn)行人體疲勞分析時(shí)所關(guān)注的。

本文研究士兵在有無(wú)穿戴單兵裝備狀態(tài)下攀登時(shí)下肢主肌肉群的表面肌電信號(hào)，研究了人體在分別完成20分鐘攀登后的時(shí)域評(píng)價(jià)指標(biāo)和頻域評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化規(guī)律，測(cè)試適合攀登行軍狀態(tài)下疲勞特性分析的下肢肌肉，得到影響顯著肌群，用于指導(dǎo)裝備對(duì)士兵疲勞特性影響的評(píng)估試驗(yàn)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

3名受試者身體健康，沒(méi)有任何神經(jīng)與肌肉系統(tǒng)疾病，無(wú)背傷困擾，無(wú)椎間盤(pán)突出或者肩部和膝關(guān)節(jié)損傷及可能對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生限制的疾病。所有受試者在實(shí)驗(yàn)前24 h無(wú)劇烈運(yùn)動(dòng)，被測(cè)試肌肉無(wú)不良癥狀，活動(dòng)自如良好。征得受試者同意后，調(diào)查受試者的人體測(cè)量學(xué)參數(shù)：身高、體重等[5]。

表1 受試者基本情況統(tǒng)計(jì)

測(cè)試裝備如圖1所示，負(fù)重重量為18 kg。

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 測(cè)試儀器與相關(guān)設(shè)備

測(cè)試者在不穿單兵裝備和穿著全套單兵裝備條件下，將肌電電極貼在受試者身體(下肢)表面，按照正常步態(tài)攀登，采集其腿部肌電信號(hào)。

8通道表面肌電測(cè)試儀，專用電腦，攀登臺(tái)、單兵裝備。

肌電測(cè)試的采樣頻率為1 000 Hz/s。

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

1.2.2 測(cè)試肌肉的確定

根據(jù)正常人體解剖學(xué)中下肢各肌肉的位置和作用，確定了6塊肌肉進(jìn)行表面肌電信號(hào)的采集，采集部位分別是股外側(cè)肌、股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、脛骨前肌、比目魚(yú)肌和腓腸肌外側(cè)[6],測(cè)試肌肉如圖3所示。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

受測(cè)試者在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)穿著輕便寬松的短褲，著運(yùn)動(dòng)鞋，測(cè)試時(shí)雙眼平視前方，手臂自然放置在攀登臺(tái)扶手位置。

要求受測(cè)試者穿戴單兵裝備和不穿戴單兵裝備在攀登臺(tái)上以相同的步速3 km/h分別完成攀登實(shí)驗(yàn)測(cè)試，兩次實(shí)驗(yàn)攀登持續(xù)時(shí)間均為20 min。為了避免肌肉疲勞對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，同一個(gè)受試者兩次實(shí)驗(yàn)間隔一周進(jìn)行。從初始攀登開(kāi)始連續(xù)采集20 min，每次實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)分析第1、3、5、7、9、11、13、16、20分鐘9個(gè)時(shí)間點(diǎn)，分析各個(gè)時(shí)間點(diǎn)一個(gè)完整波形的數(shù)據(jù)，共分析9組數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 主要測(cè)試指標(biāo)及其相關(guān)說(shuō)明

1) 時(shí)域參數(shù)

積分肌電(IEMG)是指在一定時(shí)間內(nèi)肌肉中參與活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單位放電總量，即在時(shí)間相同的前提下，其大小在一定程度上反映了參加工作的運(yùn)動(dòng)單位數(shù)量的多少和運(yùn)動(dòng)單位群放電的多少[7]。通常其幅值越大，疲勞程度越重，是評(píng)價(jià)肌肉疲勞重要指標(biāo)[8]。其計(jì)算公式為：

(1)

其中:N1為采集肌肉放電結(jié)束時(shí)間點(diǎn)，N2為采集肌肉放電開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)，X(t)為肌肉放電量大小。

2) 頻域參數(shù)

將表面肌電(EMG)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉轉(zhuǎn)換(FFT)，獲得EMG信號(hào)的頻譜或功率譜，反映EMG信號(hào)在不同頻率范圍內(nèi)的強(qiáng)度。中值頻率(MF)和平均功率頻率(MPF)為常用的指標(biāo)，作為肌肉疲勞的指標(biāo)之一[9]。

(2)

(3)

其中:PSD(f)為功率譜密度，MF為中值頻率，f為肌電信號(hào)頻率，f0為頻率上限，即采樣頻率的一半，等于500 Hz。本文選取平均功率頻率(MPF)和中值頻率(MF)作為攀登過(guò)程中的頻域分析的疲勞評(píng)價(jià)指標(biāo)，MPF與MF下降表明被試者出現(xiàn)了肌肉疲勞[10]。

得到原始肌電信號(hào)后，得到時(shí)域評(píng)價(jià)指標(biāo)：積分肌電值(IEMG)，頻域評(píng)價(jià)指標(biāo)：中值頻率(MF)和平均功率頻率(MPF)。通過(guò)Excel和MINITAB分析軟件對(duì)時(shí)域評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)和頻域評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。對(duì)被試者數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，結(jié)果表明，沒(méi)有顯著性差異，所以選取結(jié)果變化比較明顯的一個(gè)被試者數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 下肢肌肉積分肌電值變化特性及規(guī)律分析

受測(cè)試者有/無(wú)穿戴單兵裝備條件下攀登時(shí)下肢主肌群積分肌電值變化情況參見(jiàn)圖3、圖4及表2、表3。由分析可知：

1) 有/無(wú)穿戴單兵裝備的規(guī)律相同，脛骨前肌和腓腸肌變化較為顯著，在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，它們都出現(xiàn)了兩次明顯上升。

2) 從圖3可以看出，有裝備條件下，受試者在第1到第3分鐘時(shí)，下肢肌群積分肌電值下降，可能是由于剛開(kāi)始適應(yīng)裝備。其他測(cè)試時(shí)間段內(nèi)肌肉的積分肌電值都是先增加，然后下降。脛骨前肌第一次上升是在第3到第5分鐘時(shí)，上升率達(dá)47.5%；第二次上升在第9到第13分鐘時(shí)，上升率達(dá)58.4%。腓腸肌第一次上升是在第3到第5分鐘時(shí)，上升率達(dá)36.7%；第二次出現(xiàn)上升趨勢(shì)在第7到第9分鐘時(shí)，上升率達(dá)22.6%。

3) 從圖4可以看出，無(wú)裝備條件下，除脛骨前肌和股外側(cè)肌以外，其他肌肉的積分肌電值都是先增加，然后下降。脛骨前肌第一次上升是在第5到第9分鐘時(shí)，上升率達(dá)33.3%，第二次上升是在第11到第16分鐘時(shí)，上升率達(dá)53.8%；腓腸肌第一次上升是在第1到第7分鐘時(shí)，上升率達(dá)82.5%；第二次上升是在第11到第16分鐘時(shí)，上升率達(dá)29.8%。

4) 通過(guò)對(duì)比可知，穿戴單兵裝備條件下攀登時(shí)脛骨前肌和腓腸肌外側(cè)積分肌電值出現(xiàn)兩次明顯極大值的時(shí)刻，比不穿戴單兵裝備條件下提前。

表2 有裝備條件下進(jìn)行攀登時(shí)積分肌電值(IEMG)不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)顯示結(jié)果(μV)

表3 無(wú)裝備條件下進(jìn)行攀登時(shí)積分肌電值(IEMG)不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)顯示結(jié)果(μV)

3 肢肌肉中值頻率變化特性及規(guī)律分析

受測(cè)試者有/無(wú)穿戴單兵裝備條件下攀登時(shí)下肢主肌群中值頻率變化情況參見(jiàn)圖5和圖6及表4和表5。由分析可知：

1) 有/無(wú)穿戴單兵裝備的規(guī)律相同，比目魚(yú)肌和腓腸肌外側(cè)中值頻率變化較為顯著，根據(jù)肌電譜圖漂移理論可知，當(dāng)肌肉疲勞時(shí)，功率譜圖大多由高頻向低頻漂移，中值頻率特征值也相應(yīng)下降。有無(wú)裝備條件下，比目魚(yú)肌和腓腸肌外側(cè)在進(jìn)行攀登的時(shí)間內(nèi)，其中值頻率均出現(xiàn)了兩次明顯下降。

2) 從圖5可知，有裝備條件下，比目魚(yú)肌中值頻率第一次下降是在第5到第7分鐘時(shí)，下降率達(dá)6.4%；第二次下降是在第9到第13分鐘時(shí)，下降率達(dá)16%。腓腸肌中值頻率第一次下降是在第5到第7分鐘時(shí)，下降率達(dá)37.8%；第二次下降是在第11到第13分鐘時(shí)，下降率達(dá)11.4%。

3) 從圖6可知，無(wú)裝備條件下，比目魚(yú)肌中值頻率第一次出現(xiàn)下降趨勢(shì)是在第5到第9分鐘時(shí)，下降率達(dá)18.7%；第二次下降是在第11到第16分鐘時(shí)，下降率達(dá)13.2%。腓腸肌中值頻率第一次下降是在第5到第7分鐘時(shí)，下降率達(dá)52.7%；第二次出現(xiàn)下降趨勢(shì)是在第13到第16分鐘時(shí)，下降率達(dá)61.3%。

4) 通過(guò)對(duì)比可知，只有腓腸肌外側(cè)中值頻率第一次變化趨勢(shì)的極小值出現(xiàn)時(shí)刻有裝備條件和無(wú)裝備條件相同，其他極小值出現(xiàn)的時(shí)刻都是有裝備條件下比無(wú)裝備條件下提前。

表4 有裝備條件下攀登時(shí)中值頻率(MF)不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)顯示(Hz)

表5 無(wú)裝備條件下攀登時(shí)中值頻率(MF)不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)顯示(Hz)

4 下肢肌肉平均功率頻率變化特性及規(guī)律分析

受試者有/無(wú)穿戴單兵裝備條件下攀登時(shí)下肢主肌群平均功率頻率變化情況參見(jiàn)圖7、圖8和表6、表7，由分析可知：

1) 由圖7、圖8可知，有/無(wú)裝備條件下進(jìn)行攀登時(shí)，比目魚(yú)肌和腓腸肌中值頻率變化規(guī)律較為顯著，根據(jù)肌電譜圖漂移理論，當(dāng)肌肉疲勞時(shí)，功率譜圖大多由高頻向低頻漂移，平均功率頻率特征值也相應(yīng)地下降。有無(wú)裝備條件下，比目魚(yú)肌和腓腸肌在進(jìn)行攀登的時(shí)間內(nèi)，其平均功率頻率都出現(xiàn)兩次明顯下降。

2) 從圖7可知，有裝備條件下，比目魚(yú)肌平均功率頻率第一次下降是在第5到第7分鐘時(shí)，下降率達(dá)8.5%；第二次出現(xiàn)下降趨勢(shì)在第9到第13分鐘時(shí)，下降率達(dá)到14.2%。腓腸肌平均功率頻率第一次出現(xiàn)下降趨勢(shì)在第5到第7分鐘時(shí)，下降率達(dá)到17%；第二次下降在第11到第13分鐘時(shí)，下降率達(dá)到12.3%。

3) 從圖10可知，無(wú)裝備條件下，比目魚(yú)肌平均功率頻率第一次下降是在第5到第9分鐘時(shí)，下降率達(dá)16.6%；第二次下降是在第11到第16分鐘時(shí)，下降率達(dá)8%。腓腸肌平均功率頻率第一次下降是在第5到第7分鐘時(shí)，下降率達(dá)29.6%；第二次下降是在第13到第16分鐘時(shí)，下降率達(dá)31.9%。

4) 通過(guò)對(duì)比可知，只有腓腸肌外側(cè)平均功率頻率第一次變化趨勢(shì)的極小值出現(xiàn)時(shí)刻有裝備條件和無(wú)裝備條件相同，其他極小值出現(xiàn)的時(shí)刻都是有裝備條件下比無(wú)裝備條件下提前。

表6 有裝備條件進(jìn)行攀登時(shí)平均功率頻率(MPF)不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)顯示(Hz)

表7 無(wú)裝備條件進(jìn)行攀登時(shí)平均功率頻率(MPF)不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)顯示(Hz)

5 結(jié)論

1) 攀登時(shí)，時(shí)域參數(shù)變化顯著的人體肌肉是脛骨前肌和腓腸肌，頻域參數(shù)變化顯著的肌肉是腓腸肌和比目魚(yú)肌。

2) 頻域評(píng)價(jià)指標(biāo)中值頻率和平均功率頻率變化規(guī)律一致，中值頻率變化規(guī)律相對(duì)于平均功率頻率變化較為顯著。

3) 有/無(wú)裝備條件下攀登時(shí)，時(shí)域參數(shù)和頻域參數(shù)均出現(xiàn)了兩次明顯的變化趨勢(shì)。對(duì)于時(shí)域評(píng)價(jià)指標(biāo)，兩次變化趨勢(shì)的極大值出現(xiàn)時(shí)刻都是有裝備條件下比無(wú)裝備條件下提前。對(duì)于頻域評(píng)價(jià)指標(biāo)，只有腓腸肌外側(cè)第一次變化趨勢(shì)的極小值出現(xiàn)時(shí)刻有裝備條件和無(wú)裝備條件相同，其他極小值出現(xiàn)的時(shí)刻都是有裝備條件下比無(wú)裝備條件下提前。

4) 建議在進(jìn)行攀登戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作下人體疲勞特性評(píng)估試驗(yàn)時(shí)，腓腸肌的中值頻率或積分肌電值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

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