通过研究人体双肩背部负重行走时躯干及下肢主肌肉群表面肌电信号,探讨人体肌肉功能状态和疲劳特性,为改进负重方式、负重方法、背包性能、背包设计以及更加符合人体工效学的负重系统提供依据。测试20名实验对象颈肩部、背腰部及腿部主肌肉群在双肩背不同负重载荷下行走的表面肌电信号,利用统计分析软件SPSS 16.0对其频域评价指标平均功率频率(MPF)进行数据处理与分析。结果表明,随着负重的增加,男性受试者斜方肌MPF下降最为显著、最易疲劳,女性受试者颈伸肌MPF下降最为显著、最易疲劳,且当负重达到一定重量时表面肌电信号出现显著差异(P<0.05),男性双肩背负重上限值为自身体重的12%,女性双肩背负重上限值为自身体重的9%。
引用本文: 宋海燕, 张建国, 王珺, 王芳. 基于表面肌电的人体背部负重行走肌肉疲劳特性研究. 生物医学工程学杂志, 2016, 33(3): 426-430. doi: 10.7507/1001-5515.20160072 复制
引言
双肩背部负重是最常见的负重行走方式之一,也是登山训练者和军旅行军的军人作为体能训练的重要项目之一,如若长期过度负重行走,会使肌肉处于疲劳状态,从而导致一系列肌肉损伤问题[1-2]。表面肌电(surface electromyogram,sEMG)是通过贴附在肌肉皮肤表面的电极引导,从而记录下肌纤维运动单元活动时的一种生物电信号,因其具有无创性、实时性和操作简便等特性而被广泛应用于肌肉生物电信号的检测[3-4]。
目前针对人体背部负重行走时肌肉表面肌电信号的研究,国外已有大量研究。Bobet等[5]以士兵为研究对象,探讨人体在不同背包质量(分别为20、25和32 kg)负重行走时相关肌肉肌电信号特征的变化。Neumann等[6]研究了人体不同负重方式和负重重量行走时臀中肌的肌电信号。Ramadan等[7]以背包上学的学生为研究对象,探讨学生在背负不同重量和不同款式的双肩背包行走5分钟时腹直肌和竖脊肌的肌电信号,结果发现,商业背包的肌电值明显高于经过改进后的背包的肌电值,且随着负重的增加这种趋势愈加显著。Simpson等[8]对女性背包旅行爱好者进行研究,结果显示股外肌和腓肠肌的积分肌电(integrated electromyogram,IEMG)特征参数随负重的增加而增大,且随着负重的增加肌肉活动呈现出差异性。Silder等[9]将表面肌电与步态特征结合起来,测试17名男性和12名女性在背负自身体重的10%、20%和30%的重量行走时的表面肌电信号和步态特征参数,发现比目鱼肌、腓肠肌内侧、股内肌、股外肌和股直肌整体呈现出随着负重的增加肌肉活动逐渐增强的发展趋势。
国内负重行走的表面肌电信号研究刚刚起步,主要集中在人体自然行走(不负重)状态下表面肌电信号的研究。李青青[10]测试了5名健康成年人在10 m自由步行时胫骨前肌和腓肠肌内侧的肌电信号,同时与步态相结合进行分析研究。黄萍等[11]对30名受试者在平地自然行走时,双下肢的股直肌、股二头肌、胫骨前肌和腓肠肌内侧的肌电信号进行测试,分析各个肌肉肌电信号的变化特征。
本文研究正常成年人在自然行走(不负重)与双肩背不同负重载荷行走时躯干及下肢肌肉群的表面肌电信号,研究人体完成不同负重行走时颈肩背腰腿部主肌肉群的表面肌电特性,并进行对比分析,找出较为合理的负重极限值,避免过度负重造成肌肉损伤,同时为拓展表面肌电图在肌肉功能预测、诊断及人类工效学有关方面的研究提供参考[12]。
1 资料与方法
1.1 实验对象
20名身体健康的青年人,其中男性和女性各10人,年龄为(25.3±1.1) 岁。男生体重为(62.7±3.9) kg,身高为(174.5±2.7) cm;女生体重为(50.3±7.3) kg,身高为(162.8±4.3) cm。均未进行过特殊的体育锻炼。受试者均要求体型匀称,在最近的6个月里,没有出现扭伤、运动损伤、断裂等影响运动功能的伤病,且不是敏感性皮肤。参加本实验前24小时未进行任何形式的剧烈身体运动,并在实验人员的指导下熟悉实验方法与实验要求,愿意接受实验。
1.2 实验设备
主要设备包括:JE-TB0810肌电采集系统(安徽君诚科技有限公司);一次性使用心电电极(上海申风医疗保健用品有限公司);跑步机(金史密斯T411) ;双肩背包(李宁牌)。
1.3 实验方法
1.3.1 基本姿势
要求受试者在进行实验测量时穿着轻便宽松的短裤和T恤,着运动鞋,双肩背包位置调节至受试者腰部附近,不得超过臀部,测试时双眼平视前方,手臂自然摆动。
1.3.2 测试肌肉的确定
根据正常人体解剖学中躯干及下肢各肌肉的位置和作用,确定了8块肌肉进行表面肌电信号的采集,躯干部位分别是颈伸肌、斜方肌、背阔肌、竖脊肌,下肢部位分别是股直肌、股二头肌、胫骨前肌和腓肠肌外侧。
1.3.3 测试电极的贴放
先用脱毛器去除皮肤表面的汗毛组织,再用75%的医用酒精擦拭受试肌肉皮肤表面,去除黏附在皮肤表面的油污,待皮肤干燥后,用细砂纸轻轻打磨皮肤表面,去除皮肤表面坏死的角质层[8]。表面电极贴放位置是沿所测试肌肉的肌纤维方向,贴在肌腹最隆起处,参考电极和记录电极形成正三角形,两电极中心距离为2~4 cm。
1.3.4 主观评价
主观评价量表分为主观精神疲劳评价量表和主观体力疲劳评价量表。主观精神疲劳评价量表是采用哈尔滨工业大学张祖怀[13]的研究制定,用四组词语表示精神疲劳,分别为愉快-痛苦、有兴致-烦躁、动作灵活-僵硬和舒适-头痛,将这些词对分为7档,分别为非常-比较-有点-无影响-有点-比较-非常,由精神好到精神差分别对应不同分数,为4、2、1、0、-1、-2和-4。主观体力疲劳评价量表[14-16]是根据主观强度感觉等级(Rating of Perceived Exertion,RPE)制定的。分别为:6根本不费力、7-8极其轻松、9很轻松、10-12轻松、13-14有点困难、15-16困难、17-18非常困难、19极其困难、20达最大极限。
1.3.5 实验步骤
要求受试者在跑步机上以相同的步速4.5 km/h分别完成自然行走和双肩背不同负重载荷行走的实验测试,双肩背包负重量分别为自身体重5%、10%和15%,各单项实验行走时间为30 min,采集右侧颈伸肌、斜方肌、背阔肌、竖脊肌、股直肌、股二头肌、胫骨前肌和腓肠肌外侧的表面肌电信号,从初始行走开始每隔5 min采集一次实验数据,采集时间为20 s,每次实验共采集7组数据。每10 min对受试者进行主观评价量表的打分。为避免疲劳,各单项实验至少间隔6 h。为进一步获得负重对肌肉疲劳显著差异的影响,将根据实验结果进一步细化负重区间。
1.4 数据处理
得到原始肌电信号后,通过JANALYSIS E100C软件处理得到频域评价指标:平均功率频率(mean power frequency,MPF)。定义MPF变化率为单位时间内MPF值变化量与MPF初始值的比值。
2 结果与讨论
2.1 人体在不同负重情况下行走时表面肌电特征差异性分析
对不同负重情况下肌肉群的MPF特征值采用配对t检验(设定检验水准为0.05) ,分别将5%负重、10%负重和15%负重的表面肌电特征值与不负重的表面肌电特征值进行比较,找出负重差异产生的范围。表 1和表 2给出了各组t检验所得P值。


由表 1和表 2可以看出,对于男性受试者,当负重量达到自身体重的15%时,与不负重相比,全部肌肉的MPF特征量的P值均小于0.05,而10%负重与不负重相比,全部肌肉的MPF特征量的P值均大于0.05,说明对于男性受试者,当负重值达到体重的15%时,表面肌电信号已经出现了明显的差异。对于女性受试者,当负重值达到体重的10%时,与不负重相比,全部肌肉的MPF特征量的P值均小于0.05,而5%负重与不负重相比,全部肌肉的MPF特征量的P值均大于0.05,说明对于女性受试者,当负重值达到体重的10%时,表面肌电信号已经出现了明显的差异。
为进一步确定MPF特征值产生明显差异时的负重比例,男性受试者又分别进行了11%负重和12%负重的对比实验,女性受试者又分别进行了8%负重和9%负重的对比实验。由统计结果可知,对于男性受试者,当负重值达到体重的12%时,表面肌电信号开始出现显著差异,因此最适合的双肩负重不应超过体重的12%。对于女性受试者,当负重值达到体重的9%时,表面肌电信号开始出现显著差异,因此最适合的双肩负重不应超过体重的9%。
2.2 人体在不同负重情况下行走时肌肉疲劳程度分析
首先对表面肌电参数MPF与主观评价进行相关性分析,主观评价中的精神疲劳评价与体力疲劳评价得分与MPF的皮尔逊相关系数如表 3所示。结果表明,MPF与主观评价结果的相关系数绝对值均接近1,二者高度相关,说明可用MPF指标评价肌肉疲劳。

用SPSS软件分别对男性与女性受试者颈肩背腿部肌肉群的表面肌电特征值进行数据处理和分析,得到MPF变化率的百分之五十分位数,对其作柱形图,如图 1所示。

根据肌电谱图漂移理论可知,当肌肉疲劳时,功率谱图大多由高频向低频漂移,MPF特征值也相应地下降,MPF变化率越小,则说明肌肉MPF值下降越多,肌肉越容易疲劳。由图 1可知,不负重行走时,男性与女性最易疲劳肌肉均为股二头肌,下肢肌肉均出现疲劳现象,而躯干肌肉均未出现疲劳现象;5%负重行走时,男性与女性最易疲劳肌肉仍为股二头肌,但与不负重相比男性斜方肌与颈伸肌、女性颈伸肌也出现疲劳现象,且下降较为明显;当负重增加至10%时,男性斜方肌最易疲劳,女性颈伸肌最易疲劳,背阔肌仍然没有疲劳;15%负重行走时,男性最易疲劳肌肉仍是斜方肌,女性仍是颈伸肌,全部肌肉均出现疲劳现象,且男性与女性的竖脊肌较低负重时相比也发生了明显的下降现象。
总体来说,负重的增加对男性斜方肌影响最为显著,对女性颈伸肌影响最为显著,而对男性与女性背阔肌影响较小。这与受试者主观感受是相符的,大部分受试者都感觉随着负重的增加,肩颈部明显感觉酸痛。研究结果提示出在不同负重情况下行走时,要有针对性地对男性与女性的肌肉进行保护,避免肌肉损伤。
2.3 MPF特征值随负重与时间变化的三维模型
为进一步探讨肌肉表面肌电信号在负重与时间双重因素影响下的变化趋势,对男性最大发力肌肉(腓肠肌外侧)、最易疲劳肌肉(斜方肌)、女性最大发力肌肉(胫骨前肌)和最易疲劳肌肉(颈伸肌)分别作出MPF特征值随时间与负重变化的三维曲面图,如图 2所示。其中最大发力肌肉由实验所测肌肉的平均肌电和积分肌电数据确定。可以看出,人体在完成不负重与双肩背不同负重载荷行走时,无论是男性还是女性的主要肌肉MPF值均在15%负重且行走时间达到30 min时最小,说明负重的增加和负重时间的延长导致MPF下降。

3 结论
(1) 随着背部负重量的增加,男性受试者的斜方肌受影响较大,最易产生疲劳,且当负重达到体重的12%时,表面肌电信号出现了明显的差异性。
(2) 负重对女性测试者的颈伸肌影响较大,最易产生疲劳,且当背部负重达到体重9%时,表面肌电信号出现了明显的差异性。
(3) MPF特征值随负重的增加而减小,与人体疲劳的主观评价一致,可用于预测疲劳。
(4) 实验结果可为那些需要长时间负重行走的人提供一个较为合理的负重值参考范围,使之尽量避免因过度负重而产生一系列的肌肉损伤问题。
引言
双肩背部负重是最常见的负重行走方式之一,也是登山训练者和军旅行军的军人作为体能训练的重要项目之一,如若长期过度负重行走,会使肌肉处于疲劳状态,从而导致一系列肌肉损伤问题[1-2]。表面肌电(surface electromyogram,sEMG)是通过贴附在肌肉皮肤表面的电极引导,从而记录下肌纤维运动单元活动时的一种生物电信号,因其具有无创性、实时性和操作简便等特性而被广泛应用于肌肉生物电信号的检测[3-4]。
目前针对人体背部负重行走时肌肉表面肌电信号的研究,国外已有大量研究。Bobet等[5]以士兵为研究对象,探讨人体在不同背包质量(分别为20、25和32 kg)负重行走时相关肌肉肌电信号特征的变化。Neumann等[6]研究了人体不同负重方式和负重重量行走时臀中肌的肌电信号。Ramadan等[7]以背包上学的学生为研究对象,探讨学生在背负不同重量和不同款式的双肩背包行走5分钟时腹直肌和竖脊肌的肌电信号,结果发现,商业背包的肌电值明显高于经过改进后的背包的肌电值,且随着负重的增加这种趋势愈加显著。Simpson等[8]对女性背包旅行爱好者进行研究,结果显示股外肌和腓肠肌的积分肌电(integrated electromyogram,IEMG)特征参数随负重的增加而增大,且随着负重的增加肌肉活动呈现出差异性。Silder等[9]将表面肌电与步态特征结合起来,测试17名男性和12名女性在背负自身体重的10%、20%和30%的重量行走时的表面肌电信号和步态特征参数,发现比目鱼肌、腓肠肌内侧、股内肌、股外肌和股直肌整体呈现出随着负重的增加肌肉活动逐渐增强的发展趋势。
国内负重行走的表面肌电信号研究刚刚起步,主要集中在人体自然行走(不负重)状态下表面肌电信号的研究。李青青[10]测试了5名健康成年人在10 m自由步行时胫骨前肌和腓肠肌内侧的肌电信号,同时与步态相结合进行分析研究。黄萍等[11]对30名受试者在平地自然行走时,双下肢的股直肌、股二头肌、胫骨前肌和腓肠肌内侧的肌电信号进行测试,分析各个肌肉肌电信号的变化特征。
本文研究正常成年人在自然行走(不负重)与双肩背不同负重载荷行走时躯干及下肢肌肉群的表面肌电信号,研究人体完成不同负重行走时颈肩背腰腿部主肌肉群的表面肌电特性,并进行对比分析,找出较为合理的负重极限值,避免过度负重造成肌肉损伤,同时为拓展表面肌电图在肌肉功能预测、诊断及人类工效学有关方面的研究提供参考[12]。
1 资料与方法
1.1 实验对象
20名身体健康的青年人,其中男性和女性各10人,年龄为(25.3±1.1) 岁。男生体重为(62.7±3.9) kg,身高为(174.5±2.7) cm;女生体重为(50.3±7.3) kg,身高为(162.8±4.3) cm。均未进行过特殊的体育锻炼。受试者均要求体型匀称,在最近的6个月里,没有出现扭伤、运动损伤、断裂等影响运动功能的伤病,且不是敏感性皮肤。参加本实验前24小时未进行任何形式的剧烈身体运动,并在实验人员的指导下熟悉实验方法与实验要求,愿意接受实验。
1.2 实验设备
主要设备包括:JE-TB0810肌电采集系统(安徽君诚科技有限公司);一次性使用心电电极(上海申风医疗保健用品有限公司);跑步机(金史密斯T411) ;双肩背包(李宁牌)。
1.3 实验方法
1.3.1 基本姿势
要求受试者在进行实验测量时穿着轻便宽松的短裤和T恤,着运动鞋,双肩背包位置调节至受试者腰部附近,不得超过臀部,测试时双眼平视前方,手臂自然摆动。
1.3.2 测试肌肉的确定
根据正常人体解剖学中躯干及下肢各肌肉的位置和作用,确定了8块肌肉进行表面肌电信号的采集,躯干部位分别是颈伸肌、斜方肌、背阔肌、竖脊肌,下肢部位分别是股直肌、股二头肌、胫骨前肌和腓肠肌外侧。
1.3.3 测试电极的贴放
先用脱毛器去除皮肤表面的汗毛组织,再用75%的医用酒精擦拭受试肌肉皮肤表面,去除黏附在皮肤表面的油污,待皮肤干燥后,用细砂纸轻轻打磨皮肤表面,去除皮肤表面坏死的角质层[8]。表面电极贴放位置是沿所测试肌肉的肌纤维方向,贴在肌腹最隆起处,参考电极和记录电极形成正三角形,两电极中心距离为2~4 cm。
1.3.4 主观评价
主观评价量表分为主观精神疲劳评价量表和主观体力疲劳评价量表。主观精神疲劳评价量表是采用哈尔滨工业大学张祖怀[13]的研究制定,用四组词语表示精神疲劳,分别为愉快-痛苦、有兴致-烦躁、动作灵活-僵硬和舒适-头痛,将这些词对分为7档,分别为非常-比较-有点-无影响-有点-比较-非常,由精神好到精神差分别对应不同分数,为4、2、1、0、-1、-2和-4。主观体力疲劳评价量表[14-16]是根据主观强度感觉等级(Rating of Perceived Exertion,RPE)制定的。分别为:6根本不费力、7-8极其轻松、9很轻松、10-12轻松、13-14有点困难、15-16困难、17-18非常困难、19极其困难、20达最大极限。
1.3.5 实验步骤
要求受试者在跑步机上以相同的步速4.5 km/h分别完成自然行走和双肩背不同负重载荷行走的实验测试,双肩背包负重量分别为自身体重5%、10%和15%,各单项实验行走时间为30 min,采集右侧颈伸肌、斜方肌、背阔肌、竖脊肌、股直肌、股二头肌、胫骨前肌和腓肠肌外侧的表面肌电信号,从初始行走开始每隔5 min采集一次实验数据,采集时间为20 s,每次实验共采集7组数据。每10 min对受试者进行主观评价量表的打分。为避免疲劳,各单项实验至少间隔6 h。为进一步获得负重对肌肉疲劳显著差异的影响,将根据实验结果进一步细化负重区间。
1.4 数据处理
得到原始肌电信号后,通过JANALYSIS E100C软件处理得到频域评价指标:平均功率频率(mean power frequency,MPF)。定义MPF变化率为单位时间内MPF值变化量与MPF初始值的比值。
2 结果与讨论
2.1 人体在不同负重情况下行走时表面肌电特征差异性分析
对不同负重情况下肌肉群的MPF特征值采用配对t检验(设定检验水准为0.05) ,分别将5%负重、10%负重和15%负重的表面肌电特征值与不负重的表面肌电特征值进行比较,找出负重差异产生的范围。表 1和表 2给出了各组t检验所得P值。


由表 1和表 2可以看出,对于男性受试者,当负重量达到自身体重的15%时,与不负重相比,全部肌肉的MPF特征量的P值均小于0.05,而10%负重与不负重相比,全部肌肉的MPF特征量的P值均大于0.05,说明对于男性受试者,当负重值达到体重的15%时,表面肌电信号已经出现了明显的差异。对于女性受试者,当负重值达到体重的10%时,与不负重相比,全部肌肉的MPF特征量的P值均小于0.05,而5%负重与不负重相比,全部肌肉的MPF特征量的P值均大于0.05,说明对于女性受试者,当负重值达到体重的10%时,表面肌电信号已经出现了明显的差异。
为进一步确定MPF特征值产生明显差异时的负重比例,男性受试者又分别进行了11%负重和12%负重的对比实验,女性受试者又分别进行了8%负重和9%负重的对比实验。由统计结果可知,对于男性受试者,当负重值达到体重的12%时,表面肌电信号开始出现显著差异,因此最适合的双肩负重不应超过体重的12%。对于女性受试者,当负重值达到体重的9%时,表面肌电信号开始出现显著差异,因此最适合的双肩负重不应超过体重的9%。
2.2 人体在不同负重情况下行走时肌肉疲劳程度分析
首先对表面肌电参数MPF与主观评价进行相关性分析,主观评价中的精神疲劳评价与体力疲劳评价得分与MPF的皮尔逊相关系数如表 3所示。结果表明,MPF与主观评价结果的相关系数绝对值均接近1,二者高度相关,说明可用MPF指标评价肌肉疲劳。

用SPSS软件分别对男性与女性受试者颈肩背腿部肌肉群的表面肌电特征值进行数据处理和分析,得到MPF变化率的百分之五十分位数,对其作柱形图,如图 1所示。

根据肌电谱图漂移理论可知,当肌肉疲劳时,功率谱图大多由高频向低频漂移,MPF特征值也相应地下降,MPF变化率越小,则说明肌肉MPF值下降越多,肌肉越容易疲劳。由图 1可知,不负重行走时,男性与女性最易疲劳肌肉均为股二头肌,下肢肌肉均出现疲劳现象,而躯干肌肉均未出现疲劳现象;5%负重行走时,男性与女性最易疲劳肌肉仍为股二头肌,但与不负重相比男性斜方肌与颈伸肌、女性颈伸肌也出现疲劳现象,且下降较为明显;当负重增加至10%时,男性斜方肌最易疲劳,女性颈伸肌最易疲劳,背阔肌仍然没有疲劳;15%负重行走时,男性最易疲劳肌肉仍是斜方肌,女性仍是颈伸肌,全部肌肉均出现疲劳现象,且男性与女性的竖脊肌较低负重时相比也发生了明显的下降现象。
总体来说,负重的增加对男性斜方肌影响最为显著,对女性颈伸肌影响最为显著,而对男性与女性背阔肌影响较小。这与受试者主观感受是相符的,大部分受试者都感觉随着负重的增加,肩颈部明显感觉酸痛。研究结果提示出在不同负重情况下行走时,要有针对性地对男性与女性的肌肉进行保护,避免肌肉损伤。
2.3 MPF特征值随负重与时间变化的三维模型
为进一步探讨肌肉表面肌电信号在负重与时间双重因素影响下的变化趋势,对男性最大发力肌肉(腓肠肌外侧)、最易疲劳肌肉(斜方肌)、女性最大发力肌肉(胫骨前肌)和最易疲劳肌肉(颈伸肌)分别作出MPF特征值随时间与负重变化的三维曲面图,如图 2所示。其中最大发力肌肉由实验所测肌肉的平均肌电和积分肌电数据确定。可以看出,人体在完成不负重与双肩背不同负重载荷行走时,无论是男性还是女性的主要肌肉MPF值均在15%负重且行走时间达到30 min时最小,说明负重的增加和负重时间的延长导致MPF下降。

3 结论
(1) 随着背部负重量的增加,男性受试者的斜方肌受影响较大,最易产生疲劳,且当负重达到体重的12%时,表面肌电信号出现了明显的差异性。
(2) 负重对女性测试者的颈伸肌影响较大,最易产生疲劳,且当背部负重达到体重9%时,表面肌电信号出现了明显的差异性。
(3) MPF特征值随负重的增加而减小,与人体疲劳的主观评价一致,可用于预测疲劳。
(4) 实验结果可为那些需要长时间负重行走的人提供一个较为合理的负重值参考范围,使之尽量避免因过度负重而产生一系列的肌肉损伤问题。