基于sEMG的按摩椅績(jī)效人機(jī)評(píng)價(jià)模型實(shí)驗(yàn)研究

楊鐘亮 孫守遷 陳育苗

浙江大學(xué)，杭州，310027

0 引言

按摩治療作為非傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的一部分正流行起來(lái)，被證實(shí)能有效地減輕疼痛、緩解壓力、提高睡眠質(zhì)量、增強(qiáng)免疫力［1］。手工按摩緩解疲勞、緊張等方面的研究尚處于探索階段。Deborah等［2］針對(duì)聲譜儀操作員工作時(shí)的肌肉不適，通過(guò)比較椅上按摩對(duì)緩解這些肌肉不適的效果，驗(yàn)證了按摩方案的可行性；Black等［3］研究了椅上按摩對(duì)病人擺脫心理治療藥物時(shí)焦慮的療效；Buck等［4］從人機(jī)評(píng)價(jià)的角度，研究了按摩師進(jìn)行椅上與桌上按摩時(shí)不同的姿勢(shì)所引起的肌肉健康問(wèn)題。

經(jīng)驗(yàn)豐富的按摩專家的數(shù)量畢竟有限，為滿足大眾急劇增長(zhǎng)的需求，按摩椅等多種自動(dòng)化按摩設(shè)備被研制出來(lái)并迅速市場(chǎng)化。按摩椅避免了受眾因手工按摩時(shí)因皮膚接觸引起的心理上的不適［5］，具有操作便捷、按摩手法多樣、用戶可控制按摩位置與時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)按摩椅在緩解肌肉疲勞績(jī)效評(píng)價(jià)等方面的研究尚處于起步階段。尹小琴等［6］分析了推拿機(jī)器人末端執(zhí)行器4種按摩手法（振法、按法、揉法、滾法）所需的施力方向和運(yùn)動(dòng)自由度。Kolich等［7］比較了汽車座椅不采用腰部支撐機(jī)構(gòu)與采用腰部支撐機(jī)構(gòu)（微調(diào)或按摩）對(duì)肌肉活動(dòng)的影響，證明了腰部支撐機(jī)構(gòu)的有效性。Zullino等［5］研究了自動(dòng)按摩椅執(zhí)行背部按摩后緩解肌肉緊張的效果，并比較了3種機(jī)械按摩的手法。在對(duì)腓腸肌的肌電信號(hào)比較中發(fā)現(xiàn)，滾動(dòng)按摩與指壓能夠較快地緩解肌肉緊張，而拍打按摩效果不明顯。同時(shí)也指出實(shí)驗(yàn)本身就是被試者肌肉逐漸放松的過(guò)程，按摩的效果在理論上可能被夸大。

表 面 肌 電 （surface electromyography，sEMG）技術(shù)作為一種無(wú)損傷的實(shí)時(shí)測(cè)量方法，能夠持續(xù)監(jiān)控執(zhí)行某項(xiàng)工作中局部的肌肉疲勞，客觀地反映肌肉活動(dòng)水平和功能狀態(tài)［8－9］，在康復(fù)醫(yī)學(xué)、人機(jī)工程以及體育科學(xué)等領(lǐng)域均有重要的實(shí)用價(jià)值［10］。然而，sEMG在按摩椅績(jī)效評(píng)價(jià)上應(yīng)用較少，已發(fā)表的文獻(xiàn)也各自存在不足之處，如文獻(xiàn)［4］的實(shí)驗(yàn)對(duì)象不是按摩椅受眾，文獻(xiàn)［5］采集的sEMG信號(hào)的肌肉不是按摩椅直接作用的對(duì)象。對(duì)此，本文提出按摩椅績(jī)效的人機(jī)評(píng)價(jià)模型，選擇拍打按摩手法，采用sEMG研究特定肌肉在未接受按摩與接受直接按摩后肌電指標(biāo)的變化情況，驗(yàn)證按摩椅對(duì)緩解肌肉疲勞的有效性。

1 按摩椅績(jī)效人機(jī)評(píng)價(jià)模型

對(duì)sEMG信號(hào)的分析主要集中在時(shí)域和頻域［11］。肌電頻域指標(biāo)——均方根值RMS在時(shí)間維度上反映肌電信號(hào)振幅的變化特征，能夠?qū)崟r(shí)無(wú)損傷地反映肌肉活動(dòng)狀態(tài)，其計(jì)算公式為

式中，EMG（t）為表面肌電信號(hào)采樣值；T為采樣時(shí)間。

sEMG頻域分析采用中位頻率MF：

式中，PSD（f）為表面肌電信號(hào)功率譜密度函數(shù)；f為頻率。頻域指標(biāo)MF隨肌力的增大而提高，隨疲勞的發(fā)生而降低。

RMS在一定程度上反映了肌電信號(hào)的平均功率，且采用RMS算法得到的sEMG信號(hào)的幅值較大，可以更好地反映肌電的特點(diǎn)［12］；從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度而言，MF能更好地反映sEMG的頻譜特征［10］。我們以RMS與MF為判斷肌肉疲勞的指標(biāo)，并基于RMS提出了按摩椅按摩績(jī)效的人機(jī)評(píng)價(jià)模型，如圖1所示。

模型中，ΔRMS［13］為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后規(guī)定時(shí)間內(nèi)RMS的均值減去實(shí)驗(yàn)結(jié)束前規(guī)定時(shí)間內(nèi)RMS的均值的差，若規(guī)定時(shí)間為20s，則ΔRMS為整段RMS前20s的RMS均值減去最后20s的RMS均值得到的差。ΔRMS＞0表示sEMG活動(dòng)趨于減少，肌肉疲勞緩解；ΔRMS＝0表示sEMG活動(dòng)沒(méi)有變化，但在實(shí)測(cè)中幾乎不會(huì)出現(xiàn)；ΔRMS＜0表示sEMG活動(dòng)趨于增加，呈現(xiàn)肌肉疲勞。RMSF1為初次SPU過(guò)程前20s的RMS均值，RMSB1為初次SPU過(guò)程后20s的RMS均值（下標(biāo)F、B分別表示前段與后段的規(guī)定時(shí)間，下標(biāo)1表示初次靜力性標(biāo)準(zhǔn)俯臥撐 （static standard push－up，SPU），下標(biāo)2表示再次SPU），ΔRMS1為初次SPU過(guò)程前20s的RMS均值減去后20s的RMS均值所得的差值，即ΔRMS1＝RMSF1－RMSB1。RMSF2為再次SPU過(guò)程前20s的RMS均值，RMSB2為再次SPU過(guò)程后20s的RMS均值，ΔRMS2表示再次SPU過(guò)程前20s的RMS均值減去后20s的RMS均值所得的差值，即ΔRMS2＝RMSF2－RMSB2。Δ（ΔRMS）為恢復(fù)前初次SPU的ΔRMS減去恢復(fù)后再次SPU的ΔRMS所得差值，即 Δ（ΔRMS）＝ΔRMS1－ΔRMS2。T1為完成初次SPU的時(shí)間，T2為完成再次SPU的時(shí)間，ΔT＝T1－T2。ΔT＞0表明再次SPU持續(xù)時(shí)間比初次SPU持續(xù)時(shí)間短；ΔT＝0表示兩次SPU的持續(xù)時(shí)間相同；ΔT＜0則表明經(jīng)過(guò)恢復(fù)后，再次SPU的持續(xù)時(shí)間比初次SPU的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。模型的主要操作步驟如下：

（1）通過(guò)RMS與MF指標(biāo)判斷完成SPU動(dòng)作后肌肉是否進(jìn)入疲勞狀態(tài)。如果被測(cè)肌肉沒(méi)有疲勞，則實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)效；如果被測(cè)肌肉被判斷為疲勞，則選取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中RMS值的前后20s的區(qū)間，即RMSF與RMSB。此外，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中選取RMS區(qū)間時(shí)，應(yīng)除去瞬間變化較大的數(shù)值，以確保區(qū)間數(shù)值的平穩(wěn)性。

（2）將RMSF減去RMSB得到ΔRMS，再將恢復(fù)前的ΔRMS1減去恢復(fù)后的ΔRMS2，得到Δ（ΔRMS）。

（3）比較靜坐恢復(fù)的Δ（ΔRMS）與按摩恢復(fù)的Δ（ΔRMS），并參考SPU的ΔT，對(duì)按摩椅的按摩績(jī)效進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 被試者與實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在肌電信號(hào)的前導(dǎo)研究中常采用小樣本實(shí)驗(yàn)，小樣本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本與時(shí)間，提高解決探索性問(wèn)題的效率，如文獻(xiàn)［14］選取了2名男性被試者，文獻(xiàn)［15］僅對(duì)1名男性被試者采集前臂的sEMG數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)被試者為2名男性全日制在讀研究生，均沒(méi)有心血管、骨骼肌肉和呼吸系統(tǒng)方面的疾病，且實(shí)驗(yàn)期間無(wú)受傷或疾病。被試者基本情況以“平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”表示如下：年 齡 為26.5±2.12歲，身 高 為1720±7.77mm，體重為66±5.66kg。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為浙江大學(xué)人機(jī)工程實(shí)驗(yàn)室。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

（1）艾力斯特公司生產(chǎn)的某型號(hào)按摩椅。在靠背部設(shè)置一組能上下行走、四輪驅(qū)動(dòng)的按摩機(jī)械手，機(jī)械手具有5擋按摩速度；當(dāng)采用指壓、拍打、敲擊進(jìn)行單獨(dú)按摩時(shí)，機(jī)械手均有寬、中、窄3擋寬度可供調(diào)節(jié)。

（2）加拿大 Thought Technology公司的FlexComp Infinity 20通道生物反饋分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可采集肌電、心電、腦電等多重生理參數(shù)信號(hào)，采樣頻率為2048Hz，采樣精度為14bit。

（3）直徑10mm的一次性心電電極片。電極片使用前，先去除皮膚表面的油脂和角質(zhì)。然后，采用雙極聯(lián)法，將兩片導(dǎo)電的電極片相隔20mm距離，沿著豎脊肌肌腹的方向粘貼，第三片電極貼在待測(cè)肌肉附近，作為參考電極。

2.3 肌電信號(hào)實(shí)驗(yàn)儀器架構(gòu)及數(shù)據(jù)采集

本實(shí)驗(yàn)儀器架構(gòu)如圖2所示。被試者在測(cè)試部位貼上電極片后執(zhí)行實(shí)驗(yàn)規(guī)定動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的表面肌電通過(guò)傳感器采集并放大，由各信號(hào)采集通道經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器后連入計(jì)算機(jī)，肌電信號(hào)由Flex Comp Infinity 20通道生物反饋分析系統(tǒng)采集，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)借助SPSS軟件處理。

2.4 實(shí)驗(yàn)動(dòng)作與肌肉選取

俯臥撐作為常見(jiàn)的健身運(yùn)動(dòng)，占空間小、無(wú)需使用器械，具有一定的普遍性和實(shí)效性。Howarth等［16］研究指出，在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)俯臥撐動(dòng)作時(shí)，豎脊肌在背部肌肉群中所做的貢獻(xiàn)最大。靜力性練習(xí)影響工作肌的血液循環(huán)，疲勞出現(xiàn)較早［17］，故采用SPU作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)作，并選取豎脊肌為肌電信號(hào)采集的目標(biāo)肌肉。電極片粘貼位置為腰椎L1至L2處，此位置也是按摩椅的主要工作范圍。為了突出按摩績(jī)效，將按摩椅的按摩部位調(diào)整到豎脊肌位置，對(duì)緩解運(yùn)動(dòng)性疲勞進(jìn)行針對(duì)性局部按摩。要求被試者保持俯臥撐標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)不動(dòng)，并開(kāi)始采集肌電信號(hào)。由于被試者腰部受力較大，當(dāng)被試者支撐不住，發(fā)生腰部下榻時(shí)，表示實(shí)驗(yàn)動(dòng)作結(jié)束，并停止采集sEMG信號(hào)。

2.5 實(shí)驗(yàn)流程

本次實(shí)驗(yàn)分成兩個(gè)階段，流程如圖3所示。實(shí)驗(yàn)只在SPU階段采集肌電信號(hào)；在靜坐恢復(fù)時(shí)，被試者取下電極片就坐按摩椅上，按摩椅不啟動(dòng)；在按摩椅恢復(fù)時(shí)，被試者取下電極片就坐在按摩椅上，按摩椅調(diào)節(jié)為拍打手法，速度選擇最慢的第一擋，直接按摩所測(cè)試的豎脊肌部位。由于一個(gè)按摩周期為20min，故將靜坐休息與按摩休息時(shí)間規(guī)定為20min。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)式（1）與式（2），對(duì)2名被試者每次SPU的sEMG信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得到前后20s的RMS與MF的均值，如表1所示，其中ΔMF表示前20s的MF均值減去后20s的MF均值所得的差值。實(shí)驗(yàn)表明，每次SPU后，RMS增加的同時(shí)MF下降，符合JASA分析法中定義的肌肉疲勞狀態(tài)［9，18］。

表1 SPU的ΔRMS與ΔMF

靜坐恢復(fù)前后SPU的RMS前后20s變化趨勢(shì)，與按摩恢復(fù)前后SPU的RMS前后20s變化趨勢(shì)，如圖4與圖5所示（以被試者1為例）。圖4、圖5的兩條曲線分別為左右兩側(cè)豎脊肌的RMS，數(shù)據(jù)分析時(shí)取二者的均值。通過(guò)分析RMS時(shí)程圖可見(jiàn)，SPU后的RMS呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，詳見(jiàn)表1的ΔRMS。由圖4與圖5可見(jiàn)，靜坐恢復(fù)前后的SPU總時(shí)間約為90s，而通過(guò)按摩椅拍打按摩后，SPU的總時(shí)間長(zhǎng)度達(dá)到了140s，超過(guò)了之前所有SPU的時(shí)間。雖然被試者2也存在這一現(xiàn)象，但由于被試者數(shù)量較少，且個(gè)人身體素質(zhì)存在差異，SPU的T可作為判斷按摩績(jī)效的一個(gè)參考因素。

根據(jù)人機(jī)評(píng)價(jià)模型，計(jì)算2名被試者在靜坐恢復(fù)與按摩椅上拍打按摩恢復(fù)后的Δ（ΔRMS），對(duì)按摩績(jī)效進(jìn)行定量分析，如表2所示。

表2 靜坐恢復(fù)與按摩椅恢復(fù)的Δ（ΔRMS）mV

兩名被試者靜坐恢復(fù)狀態(tài)的Δ（ΔRMS）均為正值，而按摩椅恢復(fù)狀態(tài)的Δ（ΔRMS）均為負(fù)值。也就是說(shuō)，通過(guò)靜坐恢復(fù)，被試者再次SPU的疲勞程度大于初次SPU的疲勞程度，他們?cè)俅蜸PU時(shí)的疲勞未得到緩解而顯得更加疲勞；通過(guò)按摩椅的拍打按摩恢復(fù)后，被試者在初次SPU后的疲勞得到了一定的緩解，在再次SPU時(shí)的抗疲勞能力甚至超過(guò)了初次SPU時(shí)的抗疲勞能力。對(duì)Δ（ΔRMS）指標(biāo)進(jìn)行比較分析后發(fā)現(xiàn)，采用按摩椅拍打按摩對(duì)SPU后豎脊肌的疲勞緩解能力高于靜坐恢復(fù)，實(shí)驗(yàn)證明了按摩椅的按摩績(jī)效。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于表面肌電信號(hào)指標(biāo)，提出了按摩椅按摩績(jī)效的人機(jī)評(píng)價(jià)模型。作為按摩椅舒適性的前導(dǎo)研究，小樣本實(shí)驗(yàn)證明了按摩椅局部拍打按摩對(duì)緩解豎脊肌疲勞的績(jī)效，驗(yàn)證了模型的可行性與實(shí)驗(yàn)方法的適用性。后續(xù)研究將選擇多塊肌肉進(jìn)行大樣本多通道肌電信號(hào)采集，通過(guò)比較多種機(jī)械按摩手法的績(jī)效，對(duì)按摩椅進(jìn)行多因素綜合人機(jī)評(píng)價(jià)。

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