手臂肌肉疲勞狀態(tài)下筆跡特征初探

趙森 林宣豫

1. 浙江警察學(xué)院 2. 浙江省溫州市平陽縣公安局

引言

運動性肌肉疲勞指的是運動引起肌肉產(chǎn)生最大收縮力量或者最大輸出功率暫時性下降的生理現(xiàn)象，而肌肉表面的肌電信號（Surface electromyography, sEMG）是伴隨著肌肉收縮而產(chǎn)生的，其蘊含著肌肉運動的許多信息[1]。十九世紀(jì)六十年代初期，Duois Reymond首次檢測到人體肌肉收縮時能產(chǎn)生電信號[2]。以肌肉表面肌電信號研究肌肉功能特性，這種方法對肌肉是不具有傷害性的[3]，因此采用這種方法研究疲勞狀態(tài)下手臂肌肉產(chǎn)生的肌電信號變化可操作性強(qiáng)，并有著重要的現(xiàn)實意義。

書寫人的書寫活動是由大腦皮層的書寫運動中樞以及周圍的神經(jīng)系統(tǒng)支配肩、臂、肘、腕、指等肌肉運動來實現(xiàn)的，所以神經(jīng)系統(tǒng)與書寫器官是書寫運動賴以存在的物質(zhì)基礎(chǔ)[4]。本文對手臂肌肉疲勞狀態(tài)下筆跡特征進(jìn)行了實驗研究，運用生理學(xué)相關(guān)知識將手臂肌肉的疲勞度進(jìn)行量化，讓被試者在不同的肌肉疲勞狀態(tài)下進(jìn)行書寫活動，最后對筆跡特征的科學(xué)規(guī)律進(jìn)行總結(jié)[5]，旨在拓寬肌肉疲勞程度應(yīng)用研究，也為公安工作中類似案件中的筆跡鑒定提供實驗指導(dǎo)和理論依據(jù)[6]。

一、實驗原理

本次實驗采用的是德國BIOPAC公司生產(chǎn)的BIOPAC多導(dǎo)（16道）生理記錄儀，同時運用計算機(jī)中的Acqknowledge5.0軟件，對提取的肌肉表面的肌電信號進(jìn)行頻域分析。當(dāng)肌肉產(chǎn)生一定疲勞感時，人體產(chǎn)生力量的能力就會逐漸降低，并且進(jìn)行持續(xù)疲勞性活動時肌肉的生理和生化特性將發(fā)生改變，從而導(dǎo)致表面肌電信號發(fā)生相應(yīng)的變化，同時肌肉疲勞過后產(chǎn)生的最大收縮力量或者最大輸出功率將會暫時性下降。在現(xiàn)階段主要運用時域分析法和頻域分析法這兩種方法對表面肌電信號進(jìn)行深入研究[7]。

人們在從事書寫運動時，單就指、腕部的運動就有四十多條肌肉和肌腱在協(xié)調(diào)伸縮，除此之外肩、上臂的骨骼和肌腱都會參與活動。因此，介于手臂肌肉和肌腱的協(xié)調(diào)伸縮與書寫人書寫活動的密切關(guān)系，可見手臂肌肉的生理變化會對書寫活動造成一定影響[8]。因此，應(yīng)用記錄儀進(jìn)行肌肉疲勞程度的測量，同時在相應(yīng)疲勞程度下進(jìn)行書寫活動，可以直觀反映出相應(yīng)疲勞程度下的筆跡特征變化，通過實驗得到的數(shù)據(jù)和對筆跡特征變化的分析對于公安實戰(zhàn)有較高的應(yīng)用價值。

二、實驗部分

（一）實驗器材

MP150多導(dǎo)生理參數(shù)記錄儀（德國BIOPAC公司）、Ag-AgCl 表面電極片若干、75%濃度醫(yī)用酒精、BNEL45-LEAD3電極導(dǎo)連線、酒精棉球、放大鏡。

（二）研究對象

15名健康男性和5名健康女性，該20名志愿者的上肢沒有出現(xiàn)組織挫傷、運動損傷等影響運動功能的傷病，這些志愿者近期沒有做過十分劇烈的運動，在實驗開始之前均無肌肉疲勞感覺。在實驗工作人員的細(xì)心指導(dǎo)下，所有志愿者認(rèn)真閱讀了本次實驗的實驗方案，工作人員對實驗過程進(jìn)行詳細(xì)講述后，志愿者都愿意參與本次實驗。

（三）實驗操作流程

實驗操作流程見圖1。

皮膚處理：在室溫為25℃的實驗室里，用75%的醫(yī)用酒精對安放表面電極位置以及附近位置的皮膚進(jìn)行反復(fù)擦拭，以清除皮膚外表面的油脂和角質(zhì)層，降低阻抗，以免影響實驗結(jié)果。

電極位置：正負(fù)極電極片貼在肱三頭肌表面，保持正負(fù)電極之間相距2cm，參考電極貼在尺骨莖突手腕肌肉較少的部位。

（四）實驗內(nèi)容

記錄基本信息和形態(tài)學(xué)指標(biāo)：記錄受試的 15名男志愿者和5名女志愿者的姓名、年齡、練習(xí)俯臥撐時間等基本情況，測量和記錄受試志愿者的身高、體重形態(tài)指標(biāo)。選擇夾臂俯臥撐作為被試者的實驗動作，告知被試者夾臂俯臥撐的動作要領(lǐng)，實驗前先做好預(yù)實驗，得到20名被試者一次性最多做夾臂俯臥撐的個數(shù)[9]。

在工作人員的保護(hù)下，讓受試者做好開始測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。先用MP150多導(dǎo)生理參數(shù)記錄儀測一組靜息態(tài)下的空白表面肌電信號數(shù)據(jù)，然后給被試者分發(fā)實驗材料，讓被試者抄寫給定的文字材料，要求書寫人使用中性黑色水筆進(jìn)行書寫，保持正常書寫坐姿，不刻意提高或者降低書寫速度。發(fā)放的書寫材料如圖2和圖3所示。

讓每一個被試者進(jìn)行俯臥撐之前在正常情況下進(jìn)行抄寫，得到第一份書寫材料；之后讓受試者開始做夾臂俯臥撐，截取出現(xiàn)輕度疲勞感的肌電信號圖，同時給被試者發(fā)放抄寫材料，讓被試者進(jìn)行第二次抄寫；最后，截取極度疲勞狀態(tài)下的肌電信號圖，同時給被試者發(fā)放抄寫材料，讓被試者進(jìn)行第三次抄寫，一位被試者在三個不同的時期抄寫三份材料，直到所有的被試者都完成疲勞試驗和抄寫實驗。

一名被試者提供一份正常狀態(tài)下的筆跡、輕度疲勞狀態(tài)下的筆跡和重度疲勞狀態(tài)下的筆跡，一共有20名被試者，則得到60組筆跡。同時，工作人員從一個被試者身上共測得3組sEMG信號，有20名被試者，則得到60組sEMG數(shù)據(jù)。同時，一名被試者在三個時期一共抄寫了3份材料，20名被試者一共有60份樣本材料。

三、實驗結(jié)果與討論

（一）數(shù)據(jù)處理

將每個被試者的sEMG數(shù)據(jù)進(jìn)行截取，截取被試者出現(xiàn)輕度疲勞時所做三個夾臂俯臥撐的波段圖像，截取被試者出現(xiàn)極度疲勞時所做三個夾臂俯臥撐的波段圖像，再加上之前的空白對照組，一共有三組，分別定義為疲勞前期組、輕度疲勞組和疲勞后期組。

對產(chǎn)生的sEMG信號主要采用時域分析法和頻域分析法這兩種方法。本次實驗將運用頻域分析法對肌電信號進(jìn)行深入分析，將sEMG進(jìn)行快速傅立葉轉(zhuǎn)換獲得肌電信號的頻譜，運用肌電圖（Electromyography）中抗噪聲干擾方面表現(xiàn)更加優(yōu)良的中位頻率的指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而定量刻畫肌電信號頻譜的特征。

研究證明，肌電信號的頻率一般在0Hz到500Hz，主頻在50Hz到150Hz之間，人體肌肉外表面的肌電信號比較微弱，做實驗所采取的肌電放大器的頻率范圍一般設(shè)置在10Hz到500Hz。經(jīng)過前期的預(yù)實驗，得知干擾信號的范圍在10Hz到60Hz。在信號采集初期，過程中存在著電磁干擾儀器設(shè)備自身的干擾信號，這給實驗帶來了很大的不穩(wěn)定性[3]。為了去除干擾，本次實驗使用Acqknowledge5.0軟件中的信號干擾去除技術(shù)，對原始信號進(jìn)行平滑去噪音處理，再采取肌電圖中在抗噪聲干擾方面表現(xiàn)更加優(yōu)良的中位頻率值，得到疲勞前期的肌電圖，如圖4所示。

運用Acqknowledge5.0軟件中的頻域分析技術(shù)，對肌電信號圖進(jìn)行數(shù)字化分析，得到平均功率頻率（Mean Power Frequency，MPF）與中位頻率（Median Frequency，MF），再將數(shù)據(jù)圖像化顯示在圖像中，如圖5所示。

運用同樣的方法，讓被試者開始做夾臂俯臥撐，得到一系列肌電信號圖，截取被試者做了9、10、11個夾臂俯臥撐的三個波段圖像，如圖6所示。

運用Acqknowledge5.0軟件中的頻域分析技術(shù)，對肌電信號圖進(jìn)行數(shù)字化分析，分別得到不同時段肌電信號的中位頻率值和平均功率頻率值，再將數(shù)據(jù)圖像化顯示在圖像中，如圖7所示。

運用BIOPAC多導(dǎo)（16道）生理記錄儀采集被試者的手臂肌電信號，同步到計算機(jī)的Acqknowledge5.0軟件中，再對原始信號進(jìn)行平滑去噪音處理，得到被試者重度疲勞的肌電圖，如圖8所示。

運用Acqknowledge5.0軟件中的頻域分析技術(shù)，對肌電信號圖進(jìn)行數(shù)字化分析，分別得到不同時段肌電信號的中位頻率值和平均功率頻率值，再將數(shù)據(jù)圖像化顯示在圖像中，如圖9所示。

根據(jù)上述圖像內(nèi)容，得知隨著被試者做夾臂俯臥撐，肌電信號也隨之改變，肌電信號的變化具有同時性。肌電信號在圖像中有正負(fù)兩個方向，將得到的肌電信號取絕對值，分別提取疲勞前期、輕度疲勞和重度疲勞狀態(tài)下做夾臂俯臥撐的肌電信號圖，分別觀察可以發(fā)現(xiàn)：被試者所處的疲勞程度不同，肌電信號圖中的表面肌電信號的峰值會不同，重度疲勞的肌電信號的幅度值比輕度疲勞的幅度值大。

（二）MF數(shù)值的變化情況

中位頻率（Median Frequency）生物學(xué)或醫(yī)學(xué)上簡稱“MF”，是表面肌電信號進(jìn)行快速傅立葉轉(zhuǎn)換（fastfouriertrance-lation，F(xiàn)FT）獲得的信號頻譜。研究證實，當(dāng)被試者接受運動任務(wù)，肌肉疲勞感產(chǎn)生，肌電信號頻率會出現(xiàn)降低的趨勢，中位頻率的數(shù)值能充分顯示在被試者疲勞程度逐漸加重后sEMG隨頻率發(fā)生改變的情況，因此中位頻率是判定運動性肌疲勞發(fā)生的重要指標(biāo)之一[2]。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，被試者在疲勞前期中位頻率基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，數(shù)值沒有太大幅度的變化。在被試者進(jìn)行夾臂俯臥撐的過程中，中位頻率開始發(fā)生變化。將頻域分析技術(shù)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，用office軟件將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為折線圖，如圖10所示。

從圖10的折線圖中得知：（1）疲勞前期的中位頻率的數(shù)值基本保持穩(wěn)定狀態(tài)；（2）在 2至3秒、5至6秒、8至9秒三個階段，也就是被試者進(jìn)行疲勞任務(wù)的過程，達(dá)到重度疲勞時，被試者的中位頻率數(shù)值要明顯低于輕度疲勞的數(shù)值；（3）重度疲勞和輕度疲勞的折線出現(xiàn)峰值是因為當(dāng)時被試者手臂處于短暫的放松狀態(tài)。

經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)的采集和分析，得出前20名志愿者三個時期肌電信號的中位頻率值。將20名志愿者三個不同時期的中位頻率數(shù)值羅列在數(shù)據(jù)表中，分別求出志愿者在疲勞前期、輕度疲勞和重度疲勞下的中位頻率數(shù)值的平均值，得到的數(shù)值后再與正常數(shù)值進(jìn)行比較得出結(jié)論，如表1。

從實驗所得數(shù)據(jù)中得知：雖然志愿者做夾臂俯臥撐的能力不同、達(dá)到不同疲勞度所做的夾臂俯臥撐的個數(shù)不同，但是在相同的疲勞度下，中位頻率的數(shù)值相近?？梢赃\用手臂肌肉表面的肌電信號初步量化手臂肌肉疲勞度，為研究手臂肌肉疲勞狀態(tài)下的筆跡特征變化奠定了基礎(chǔ)。

（三）筆跡特征的變化

通過對收集的手臂肌肉疲勞狀態(tài)下的筆跡與書寫人正常情況下書寫的筆跡進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)手臂肌肉產(chǎn)生疲勞后書寫人書寫活動受到相應(yīng)的影響，手臂肌肉疲勞下的筆跡特征與正常情況下不同，而且隨著手臂肌肉的疲勞度增加，筆跡變化特征更加明顯。本次實驗收集了20份書寫材料，分為正常組、輕度疲勞組、重度疲勞組三個時期，經(jīng)過對多組筆跡樣本進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)筆跡特征的變化情況。

1. 筆跡出現(xiàn)抖動彎曲

手臂肌肉產(chǎn)生疲勞之后，大腦支配手臂的能力有所減弱，平衡感意識淡化，書寫時容易出現(xiàn)抖動彎曲現(xiàn)象。在復(fù)寫紙的作用下，發(fā)現(xiàn)在疲勞的狀態(tài)下書寫活動進(jìn)行了一段時間之后，書寫人的書寫力度有增大的趨勢。因為書寫人手臂肌肉疲勞之后，書寫時發(fā)現(xiàn)進(jìn)行書寫活動較為困難，為了完成書寫任務(wù)，會更加集中注意力，刻意加大書寫力度，而且隨著手臂肌肉疲勞度增加，書寫筆力越重，此時書寫筆跡的輪廓更加生硬，見圖11～19。

2. 部分字體發(fā)生傾斜

書寫者手臂肌肉產(chǎn)生疲勞感之后，書寫者不能按照正常情況下保持橫平豎直的書寫狀態(tài)，部分字體在書寫過程中會因為抖動而出現(xiàn)向不同的方向或者向同一方向扭曲的痕跡，字體也發(fā)生傾斜，見圖20～28。

3. 連筆增多，局部筆畫被省略

經(jīng)過仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，手臂肌肉疲勞之后書寫活動中連筆的情況比正常情況下更加普遍，單個字局部筆畫被省略，見圖29～37。

4. 字間距發(fā)生改變

從樣本的整體層面觀察發(fā)現(xiàn)，材料中字與字的間距也發(fā)生一定的改變。隨著手臂肌肉疲勞度的增加，字與字的間距有增大的趨勢，書寫人進(jìn)行了疲勞實驗之后再完成書寫任務(wù)就顯得較為艱難，不僅書寫的字體普遍有增大趨勢，字與字的間距也有增大的趨勢，如圖38～40所示。

5. 標(biāo)點符號

標(biāo)點符號也是筆跡檢驗的要點，其能反應(yīng)出書寫者的文化水平，但是隨著手臂肌肉疲勞度加重，盡管字和符號之間的間距有一定程度的變化，但是書寫者對標(biāo)點符號的使用還是有十分明確的認(rèn)知，不會出現(xiàn)亂加標(biāo)點符號或者不用標(biāo)點符號的情況。

6. 筆順

筆畫的先后順序可以反應(yīng)出書寫人的書寫習(xí)慣，書寫人進(jìn)行書寫活動時，字的筆畫先后順序基本不會發(fā)生改變。即使書寫者進(jìn)行了多次疲勞性實驗，在手臂輕度疲勞狀態(tài)下字的偏旁之間的搭配和筆畫順序也不會發(fā)生明顯改變。重度疲勞下，字的筆畫特征和順序都不會發(fā)生改變。

四、結(jié)語

在肌肉疲勞程度的生理研究中，國內(nèi)通過肌電信號測量肌肉疲勞度的研究才初步成型。很少有專業(yè)人員將其與司法領(lǐng)域中的筆跡特征情況相互結(jié)合研究，而將疲勞度進(jìn)行深入量化研究考查筆跡特征的變化更是少之又少。這次實驗科學(xué)且詳細(xì)地展現(xiàn)了手臂肌肉疲勞狀態(tài)下筆跡特征的變化規(guī)律，希望能給類似研究提供可供借鑒的實驗數(shù)據(jù)。本次實驗中對疲勞度量化和對筆跡特征變化系統(tǒng)的研究拓展了肌肉疲勞程度研究范圍，也將會給筆跡鑒定工作帶來一些啟示。