駕駛振動所致局部肌肉疲勞的肌電信號分析

張 鄂，畢朝瑞，張俊峰，張 帆

(1.西安交通大學 機械工程學院，西安 710049;2.西安外事學院 工學院，西安 710077;3.西安體育學院實驗中心，西安 710078;4.西安建筑科技大學 信息與控制工程學院，西安 710055)

動態環境下的陸、海、空各種運載工具(汽車、坦克、船舶、飛機、航天器等)工作時，都會產生機械振動。這種振動將會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。長期處于疲勞狀態可導致慢性肌肉骨骼損傷。因此，研究動態振動環境對人體的影響已成為人機工效學領域的1 個重要課題［1］。傳統的肌肉疲勞評價方法是通過測定血液中的乳酸含量來進行的，但該方法有損傷性，不易被駕駛員接受。隨著當代科技的發展，由于表面肌電圖法(surface electromyography，sEMG)具有無創、簡便、動態、多靶點測量等優點，使其成為評價局部肌肉疲勞的有效工具，并且是神經肌肉功能監測的常用方法［2-3］。目前，表面肌電信號在臨床醫學、運動醫學、康復醫學、工效學及運動生物力學等領域得到了廣泛應用。本文通過模擬人-車系統的動態振動環境實驗，運用表面肌電測試系統監測不同振動環境下人體保持駕駛姿勢時受力集中部位肌肉的表面肌電信號，對其進行時、頻域分析，研究不同動態振動環境對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價的研究提供實驗依據。

1 表面肌電圖法

表面肌電信號是從皮膚表面通過電極引導、放大、顯示和記錄下來的神經肌肉系統活動時的生物電信號，他是1 種微弱的電信號(幅度在100 ～5 000 μV)。研究表明，肌電信號的幅度及譜能量不僅與肌肉疲勞狀態有關，而且與測試狀態下肌肉力大小有關，因此肌電信號常用于肌肉活動狀態與疲勞狀態的分析、康復醫學領域的肌肉功能評價、人機工效學領域肌肉工作的工效學分析以及體育科學中的疲勞評定［4-6］。

應用sEMG 信號分析來評價肌肉疲勞主要集中在時、頻域分析2 個方面。時域分析是將肌電信號看作時間的函數，用來刻畫時間序列信號的振幅特征，主要包括積分肌電值(integrate EMG，iEMG)和均方根值(RMS)，其計算公式如下:

頻域分析主要是對sEMG 信號進行快速傅立葉變換(FFT)，獲得sEMG 信號的頻譜或功率譜，反映sEMG 信號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 個指標進行分析，即中值頻率(median frequency，MF)和平均功率頻率(mean power frequency，MPF)，其計算公式如下:

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

2 實驗條件及方法

2.1 實驗條件

進行振動環境下人體肌肉疲勞影響的表面肌電信號監測實驗，采用西安206 研究所已有的美國UD 公司SA30 -S802/ST 電磁振動實驗臺和西安體院已有的芬蘭Mega 公司的ME6000 - T16 表面肌電測試系統。實驗時在振動臺上模擬搭建了乘駕實驗環境。實驗設備及過程如圖1 所示。其中，SA30 -S802/ST 振動臺可進行正弦振動、隨機振動、沖擊加隨機振動等實驗，最大推力可達3.5 T，激振頻率為2 ～2 500 Hz，激振最大加速度可達50 g。ME6000 -T16 表面肌電測試系統主要由ME6000 -T16 表面肌電測試儀、心電監護電極以及MegaWin2.4 軟件系統組成。通過該系統可對受試者的肌電信號進行實時采集、存儲和分析。

圖1 實驗設備及過程

由人機工程學可知［7］，振動對人體的影響主要取決于振動強度，其次是振動頻率和振動的暴露時間。而振動強度一般是用加速度有效值來計量的，故參照ISO2631 標準將振動實驗的加速度分為如下5 種，即0.03 g、0.06 g、0.1 g、0.15 g和0.2 g。基于汽車振動一般是80 Hz 以下的低頻振動［8］。研究表明，人體在低頻狀態容易產生共振，如在4 ～8 Hz，10～12 Hz 時最容易與人體內臟器官產生共振，這種現象將影響肌肉系統、呼吸系統、血液循環系統、植物神經系統和感官系統等［9］，直接導致人體不舒適性，為此本實驗的激振頻率選擇為0 ～30 Hz。

由于本文主要針對動態汽車駕駛狀態來研究其振動環境對人體肌肉疲勞的影響，因此人體監測部位特選擇坐姿狀態下人體保持駕駛姿勢時受力集中的部位，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-機操控界面和人-機接觸界面中駕駛員工作時十分重要的3 塊骨骼肌。

2.2 實驗對象

共選擇20 名受試者參加振動實驗，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 實驗過程

本實驗主要模擬駕駛艙環境人體坐姿體位下的振動條件，整個體位操作任務在模擬振動環境實驗臺上完成。實驗開始時，首先在實驗臺上搭建座椅并固定，通過MegaWin 軟件設定好人體測量部位;接著為受測者的測試部位貼附監護電極，受測者在實驗臺上模擬坐姿狀態時的實際駕駛姿勢;然后振動臺按預定的振動環境施加振動激勵，通過ME6000-T16 表面肌電測試儀采集和記錄各測試部位的表面肌電信號。將采集的原始SEMG 數據以mxf 及asc 的文件保存，并將所獲得的數據取其平均值，整理成表，與振動參數對應來分析肌電信號的時、頻域變化規律。

實驗時，共進行了5 種振動強度(激振加速度分別為0.03 g、0.06 g、0.1 g、0.15 g 和0.2 g)的振動實驗。激振頻率選為5 ～30 Hz，采用掃頻振動。每一加速度下激振20 min，每5 min 完成1次掃頻(5 ～30 Hz)，同時進行肌電信號采集，即每5 min 采集1次包括初始值在內的5 個時間點值(0，5，10，15，20 min)，利用時間點與頻率的對應關系，了解振動頻率由低向高變化過程中的肌電變化情況，整個實驗共需100 min。為了配合振動環境下人體肌肉疲勞過程的肌電分析，實驗中還進行了各振動環境下的人體主觀感受實驗，即記錄不同振動環境下人體疲勞的直觀反映，以便與肌電信號的分析結果進行對比研究。

3 實驗結果與分析

3.1 數據處理

脫機處理用MegaWin2.4 軟件對20 名受試者各振動全過程的sEMG 信號進行時域分析和頻域分析。本文的時域分析主要計算被采集的肌肉組織肌電信號的積分肌電值(iEMG)，該iEMG 值是取20 名受試者iEMG 值的平均值。進行頻域分析時，先將記錄的表面肌電圖原始波形進行快速傅立葉變換(FFT)，并進行數據平均化處理。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 來進行。

3.2 sEMG 樣本的時域分析

圖2為采集的一受試者在不同振動加速度下各局部肌肉的sEMG 原始圖形。通過時域分析得到的各加速度下肌電信號的積分肌電值(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的積分肌電值( iEMG) /μVs

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

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

1)不同振動加速度下整體肌肉MF 的變化特點

將20 名受試者在不同振動加速度下實驗采集的各塊肌肉表面信號(sEMG)，運用頻譜分析得到MF 變化數據進行平均處理，其變化如圖3 所示。為了便于比較MF 在各振動加速度下的變化規律，對不同加速度下隨時間變化的MF 值進行了一元線性回歸分析(見圖3)。

由圖3 可見，隨著振動加速度的增大，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 值達到最低，表明低頻更容易使各肌肉達到疲勞。而在5，10 min 高頻處，各肌肉MF 出現峰值，表明在這段時間內，肌肉發生了疲勞恢復，且恢復程度大大高于時間累積引起的疲勞，這與文獻［10］和文獻［11］對肌肉疲勞所得的研究結果相符，即肌肉發生疲勞時，MF 值低，而肌肉發生疲勞恢復時，MF 值高。

此外，由回歸分析可見，在同一振動加速度下，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)振動頻率f 對整體肌肉MF 的影響

振動頻率f 對整體肌肉MF 的影響如圖4 所示。由圖4可見，5 種振動加速度下MF -f 曲線的共同變化趨勢是: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，振動頻率f 對各肌肉MF 值的影響程度也各有差異。在被監測的三位置中，肱二頭肌對頻率的敏感度最強，而股二頭肌、豎脊肌對頻率的敏感度依次降低。另由圖4 可見，當振動強度達0.2 g 時，3塊肌肉的MF 值曲線在其幅值以及變化趨勢上已基本雷同，可見這一振動加速度對3 塊肌肉疲勞影響效應幾乎相同。

3.3.2 局部肌肉中值頻率( MF) 的變化分析

1)不同振動加速度下各局部肌肉MF 變化趨勢

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

2)振動頻率f 對各局部肌肉MF 值的影響

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

圖7為各局部肌肉MF 與振動加速度、頻率及振動時間的關系圖。由圖7 可以看出:隨著振動加速度的增大，各肌肉中值頻率MF 震蕩趨勢加劇;且振動加速度愈大，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，疲勞現象明顯;而豎脊肌在加速度為0.03 g 和0.1 g 時，疲勞現象已相當明顯。與上述2 塊肌肉不同，股二頭肌在加速度為0.03 g 時，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，開始出現疲勞現象，表明股二頭肌的疲勞恢復能力要明顯低于前2 塊肌肉。

3.3 振動環境下人體主觀感受的評價及分析

為研究振動環境對人體肌肉疲勞的影響，在對各肌肉sEMG 監測實驗中，本文對應不同的振動環境同時進行了受試者的主觀感受評價實驗。表2 為對應環境下的主觀感受記錄表。在激振加速度為0.03 g 時，因振動強度較小，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 時的人體主觀感受。

圖3 不同振動強度下整體肌肉MF 的變化趨勢

圖4 振動頻率f 對整體肌肉MF 值的影響

圖5 不同振動強度下各局部肌肉MF 變化情況

圖6 各局部肌肉MF 值隨振動頻率的變化趨勢

圖7 各局部肌肉MF 與振動強度、頻率及振動時間的關系

表2 主觀感受記錄表

由表2 可見，振動環境的主要因素，即振動強度(加速度)、振動頻率及受振時間均會對人體舒適性及肌肉疲勞產生影響:①隨著振動加速度的增大，人體的不適感增強，當加速度增至0.2 g 時，受試者普遍出現較為強烈的全身疲倦、出汗和持續的頭暈和惡心感，個別受試者甚至出現視線模糊等癥狀;②當振動時間在5 ～10 min，加速度為0.15 g 和0.2 g 時，受試者胃部出現不適，并有惡心的癥狀，此時振動頻率f為8 ～12 Hz，對應坐姿人體振動系統的第2 共振峰［7］，導致腹部產生共振，使人體出現不適感;③隨著受振時間的增長，人體不舒適感逐漸增加，受試者普遍出現腿部肌肉酸痛、胸部振動幅度增大、胸悶惡心等感覺。

4 結論

1)綜合sEMG 信號的時域與頻域分析可知，振動環境會直接影響人體肌肉疲勞過程，不同的振動強度(即加速度)及激振頻率均會對人體肌肉疲勞及乘坐舒適性產生不同影響。

2)對振動環境下的人體肱二頭肌、豎脊肌、股二頭肌的sEMG 分析結果，結合振動環境下的人體主觀感受表明，運用sEMG 信號的時、頻域分析來評價振動環境下駕駛員的肌肉疲勞狀態及其人體舒適性是可行的，其研究結果可為動態環境的人-車界面設計的舒適度評價提供重要技術參考。

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