基于sEMG的靜態(tài)坐姿肩部斜方肌疲勞研究

趙佳佳，馬 駿

(1.華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601;2.中國職業(yè)安全健康協(xié)會，北京 100713)

基于sEMG的靜態(tài)坐姿肩部斜方肌疲勞研究

趙佳佳1，馬 駿2

(1.華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601;2.中國職業(yè)安全健康協(xié)會，北京 100713)

肩部肌肉疲勞是靜態(tài)坐姿工作人員中普遍存在的職業(yè)健康問題，明確工作人員肩部肌肉出現(xiàn)不同狀態(tài)的時間有利于預(yù)防靜態(tài)坐姿工作人員肩部疾患的發(fā)生。利用表面肌電信號(surface electromyographic，sEMG)實驗分析法，對20名無肩部疾患大學(xué)生志愿者的斜方肌部分進行無侵入性肩部肌肉信號實時監(jiān)測。分析中位頻率和肌肉電活動水平隨時間變化的斜率情況，結(jié)合頻譜振幅聯(lián)合分析(JASA)方法確定了工作人員在工作過程中肌力增加，減少，恢復(fù)和疲勞四個狀態(tài)的對應(yīng)時間。實驗表明在整個工作過程中肌力的增加是圍繞著其他幾類狀態(tài)反復(fù)出現(xiàn)的，工作人員在工作到80～90分鐘進入疲勞狀態(tài)，持續(xù)疲勞一段時間后，肌力先增后減，從而發(fā)現(xiàn)其可能是造成靜態(tài)坐姿肩部肌肉疾患的原因之一。

肌電信號;靜態(tài)坐姿;斜方肌;幅頻聯(lián)合分析法(JASA)

0 引言

對于肌肉骨骼疾患的研究是職業(yè)工效學(xué)的重要組成部分，肩部疾患是常見的職業(yè)性肌肉骨骼疾患之一［3］。斜方肌是實現(xiàn)肩部功能的的重要部分，斜方肌疲勞直接體現(xiàn)了工作人員肩部健康。肩部肌肉疲勞主要見于坐姿工作。目前有大量工作人員長期處于坐姿狀態(tài)，每天至少維持在6－7個小時左右，肌肉長時間處于靜態(tài)收縮狀態(tài)，容易導(dǎo)致疲勞［4］。長期肌肉疲勞最終造成肌肉骨骼疾患，在疾患沒有徹底形成時并不會被明顯感知，因此對于肌肉疲勞的評價與預(yù)測尤為必要。對于肌肉疲勞的研究方法很多，二十世紀(jì)中葉，人們已經(jīng)可以得到非常細(xì)致的肌電信號，并廣泛的應(yīng)用于科研［5］，通過分析表面肌電信號可以有效的對肌肉的疲勞進行研究。

1 對象與方法

1.1 對象

選取20名健康在校大學(xué)生，無吸煙、飲酒嗜好，無肩部疾患病史。男女各半，平均年齡22歲。選擇斜方肌作為主要測試肌肉，其沿肩胛骨脊柱邊緣止于鎖骨，覆蓋在肩部，是實現(xiàn)肩部運動的主要肌肉［6］。

1.2 方法

1.2.1 肌電信號采集

表面肌電信號采集和測試的設(shè)備為德國Biovision出產(chǎn)的16通道肌電采集儀器，采樣頻率1000 Hz，帶通濾波為20～500 Hz。首先使用酒精反復(fù)擦拭粘貼電極片部位皮膚，減少皮膚阻抗。按圖1中的位置依照肌纖維的方向貼好電極片并固定，在Dasylab軟件中連接相應(yīng)數(shù)據(jù)采集模塊，連接方式如圖2。測量20名受試者在外部環(huán)境一致的情況下，呈靜態(tài)坐姿同時錄入相同文件，2個小時內(nèi)不同時刻的表面肌電信號，記錄斜方肌原始肌電信號。

圖1 斜方肌電極貼片貼放的位置圖

圖2 Dasylab軟件中數(shù)據(jù)采集模塊連接圖

1.2.2 肌電信號的處理

對采集到的肌電信號進行時域和頻域的分析。時域分析的主要參數(shù)是肌肉的電活動水平隨時間變化的斜率。此處肌肉的電活動水平為一分鐘內(nèi)振幅的均值，單位是V。取20名受試者肌肉電活動水平的均值，然后通過回歸分析計算每五分鐘的電活動水平隨時間變化的斜率。頻域分析的主要參數(shù)是中位頻率隨時間變化的斜率。處理方法同上。

1.2.3 統(tǒng)計學(xué)處理

統(tǒng)計學(xué)分析采用SPSS軟件對收集到的變量進行聚類分析。聚類分析是一種建立分類的多元統(tǒng)計分析方法。它能夠?qū)⒁慌鷺颖?或變量)數(shù)據(jù)根據(jù)其諸多特征，按照性質(zhì)上的親疏程度在沒有先驗知識的情況下進行自動分類，所謂“親疏程度”是指在各變量(特征)取值上的總體差異程度［7］。以時間為分析樣本，對整理好的肌肉電活動水平隨時間變化的斜率和中位頻率隨時間變化的斜率進行聚類。5分鐘一個數(shù)據(jù)，共 24個樣本［8］。

2 結(jié)果

2.1 靜態(tài)坐姿工作人員斜方肌的部分肌電原始信號

靜態(tài)坐姿工作人員的斜方肌始終處于靜態(tài)收縮狀態(tài)，肌電信號振幅較小，短時間內(nèi)并無明顯波動變化，經(jīng)過長時間的信號采集，部分肌電原始信號如圖3。

2.2 時頻參數(shù)分析

以時間段為自變量，電活動水平和中位頻率分別為因變量進行回歸分析，剔除極個別跳躍點，對回歸系數(shù)進行檢驗，顯著性水平均在0.05以上，均有意義。不同時段時域參數(shù)和頻域參數(shù)隨時間變化的斜率如下。

圖3 斜方肌部分肌電原始信號

表1 －1 計算后的時域和頻域參數(shù)

表1 －2 計算后的時域和頻域參數(shù)

2.3 肩部肌肉狀態(tài)分析

利用SPSS軟件，在頻譜振幅聯(lián)合分析(JASA)方法的基礎(chǔ)上將靜態(tài)坐姿工作人員的肌肉狀態(tài)分為四類。根據(jù)JASA法，頻譜斜率和振幅斜率均為正表示肌力增加，均為負(fù)表示肌力減小，頻譜斜率為正，振幅斜率為負(fù)表示肌力恢復(fù)，反之則表示疲勞［9］。將中位頻率和電活動水平隨時間變化的斜率按時間段進行聚類的垂直冰狀圖如圖2。

圖4 中位頻率和電活動水平隨時間變化的斜率按時間段聚類的垂直冰狀圖

由圖4可以看出，工作時間從開始到55分鐘、70到75分鐘和95到105分鐘為第一類，60到65分鐘的肌電信號反應(yīng)是第二類，80到90分鐘為第三類，另外從110分鐘到截止時間為第四類。結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)形式，第一類的中位頻率和肌肉電活動水平隨時間變化的斜率均為正值;第二類頻譜斜率為正值，振幅斜率為負(fù)值;第三類狀態(tài)相反，第四類頻譜斜率和振幅斜率均為負(fù)值。即第一類時段肌力增加，從55分鐘開始，進入第二類狀態(tài)，肌力有所恢復(fù)，但進入70分鐘后肌力又有所增加，直到80分鐘時肌肉開始進入疲勞階段，在持續(xù)到90分鐘后，肌力繼續(xù)增加，直到試驗接近結(jié)束的110分鐘時，肌力開始減少。整理后的聚類結(jié)果如表2。

表2 中位頻率和電活動水平隨時間變化的斜率按時間段聚類的結(jié)果

3 討論

目前，城市辦公存在著數(shù)量龐大的坐姿工作人員，長時間的靜態(tài)工作嚴(yán)重的影響著工作人員的健康。早期肩部疾患在肌肉疲勞不嚴(yán)重的情況下是可逆的，只要定時進行頸肩部肌肉鍛煉，病癥就可能得到緩解甚至康復(fù)［10］。但伴隨著職場壓力，人們往往因為時間緊任務(wù)重，忽視個人的調(diào)整，縱容肌肉疲勞的惡性循環(huán)。

反映疲勞的肌電信號常被作為肌肉發(fā)生生理改變的重要信息［11］?；诒砻婕‰娦盘柕膽?yīng)用，目前對靜態(tài)坐姿從業(yè)者肩部肌肉的研究并不少，表面肌電信號測試法能夠直觀的體現(xiàn)肌肉活動的信息，但大多數(shù)研究還處在淺層次的觀察，隨著肌肉疲勞，肌電信號的明顯變化情況，張菲若等［9］利用JASA分析法更深入的對數(shù)據(jù)進行再處理，所得結(jié)果仍不能滿足時間軸上肌肉出現(xiàn)疲勞的情況，基于JASA分析法對肌肉情況的描述，本次實驗以時間為樣本，對其進行了分類，較為清晰的明確了健康的靜態(tài)坐姿工作者持續(xù)工作2小時之內(nèi)斜方肌隨時間的變化情況。

通過模擬靜態(tài)坐姿工作人員的工作狀態(tài)實驗分析，工作人員在剛進入工作時，肌力會不斷增加，為持續(xù)的工作不斷提供能量，在肌力增大到一定程度時，于60分鐘時進入恢復(fù)狀態(tài)，說明肌肉會進行自主調(diào)整，經(jīng)過調(diào)整后持續(xù)增加肌力，維持接下來的工作。在進入80 min－90 min時段時肩部肌肉產(chǎn)生疲勞狀態(tài)，因此工作者應(yīng)盡量在肌肉還未進入疲勞狀態(tài)時進行適當(dāng)?shù)姆潘珊托菹?，再進入下一階段的工作;工作者在感到疲勞后，肌力并沒有立刻減少，反而有了短暫的增加，在疲勞的情況下仍然為工作提供能量，實際是上肌肉在超負(fù)荷運行，這也許是造成肌肉疾患的重要原因之一;隨著工作時長的增加，工作人員在110分鐘時肌力開始減少，此時參與工作的肌肉活動狀態(tài)下降，工作效率降低，工作者應(yīng)及時調(diào)整工作時間，以便更好的工作。

由于實驗條件有限，實驗對象均為在校大學(xué)生，且年齡集中，但從另一方面來看，為更多工作初期的人員提出了良好的警醒，便于從根源預(yù)防肩部疾患的產(chǎn)生;另外考慮到受試者的情緒，實驗負(fù)荷工作量較輕，排除了受試者主觀精神疲勞的影響。

4 結(jié)語

在充分利用有限資源的基礎(chǔ)上，實驗詳細(xì)的描述了靜態(tài)坐姿工作人員工作過程中隨工作時長的增加肌肉狀態(tài)變化的對應(yīng)時間，明確了靜態(tài)坐姿工作人員的疲勞時段，為工作人員適當(dāng)安排休息提供了比較明確的標(biāo)準(zhǔn)。同時研究也發(fā)現(xiàn)肩部肌肉會在進入疲勞狀態(tài)后繼續(xù)增加肌力是造成肌肉疾患的原因之一，為后續(xù)進一步研究肌肉骨骼疾患問題提供了方向。當(dāng)然，研究中也許還存在著不足之處，以期日后能夠得到更加全面解決辦法，為眾多靜態(tài)坐姿工作人員預(yù)防肩部疾患提供更多更準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

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A research on the fatigue of shoulder muscles in the static sitting posture based on EMG

ZHAO Jia－jia1，MA Jun2

(1.North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，101601，China; 2.China Occupational Safety and Health Association，Beijing，100713，China)

Shoulder muscle fatigue is a common health problem of occupation in the static posture worker，to make clear of the time period of different states in workers’shoulder muscles is advantageous to the prevention of the static posture workers’shoulder disorders.Use the(surface electromyographic，sEMG)signals experimental analysis，invasively monitor the trapezius muscle of 20 volunteers without shoulder disorders in realtime.Analysis the slope of median frequency and muscle electrical activity level changes with time，combined with the joint analysis of the spectral amplitude(JASA)method to determine the workers’different state (muscle strength Increased，reduced，recovered and fatigue)and it’s corresponding time.The experiment shows that the increase of muscle strength is repeat around the whole process of the work，when work in 80 minutes the muscle appear the state of fatigue，after a period of fatigue time，muscle strength first increased and then decreased，then found it might be one cause of the muscle disorders in the static sitting posture.

EMG;Static sitting posture;Trapezius muscle;JASA

R13

A

1672－7169(2016)06－0086－05

2016－9－25

趙佳佳(1992－)，女，吉林延邊人，大學(xué)畢業(yè)，華北科技學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向:工業(yè)衛(wèi)生及職業(yè)危害防治。E－mail:1114785974@qq.com