不同姿勢(shì)久坐下女性腰部肌肉的sEMG信號(hào)變化*

宋 超，王篤明，盧寧艷

(浙江理工大學(xué)心理研究所，杭州 310018)

當(dāng)久坐成為現(xiàn)代生活的一種常態(tài)時(shí)，其帶來的潛在健康影響已備受關(guān)注。對(duì)普通人群而言，日常的久坐姿勢(shì)基本呈脊椎弓形前傾，頸椎、腰椎的前傾屈曲較大。長(zhǎng)時(shí)間的姿勢(shì)維持使脊椎肌群處于持續(xù)的牽拉狀態(tài)，可能由此增加椎間盤及椎旁組織的應(yīng)力而增加下腰痛的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，在久坐對(duì)脊椎健康的影響中，除時(shí)間因素之外，姿勢(shì)是另一值得考察的因素。

表面肌電(surface electromyograph, sEMG)信號(hào)是一種由肌肉表面皮膚所引導(dǎo)記錄的電生理信號(hào)，在控制良好的情況下，其分析技術(shù)能在一定程度上反映目標(biāo)肌肉的活動(dòng)水平和功能狀態(tài)。基于sEMG信號(hào)是穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的前提，通過對(duì)其時(shí)間序列的振幅特征和快速傅里葉轉(zhuǎn)換所提取的功率譜特征加以分析，是目前常見的sEMG信號(hào)分析方法。研究顯示，在考察肌肉活動(dòng)水平時(shí)，實(shí)時(shí)時(shí)域指標(biāo)和頻域指標(biāo)能在一定程度上有效區(qū)分目標(biāo)肌群的發(fā)力水平[2]；在運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的疲勞中發(fā)現(xiàn)，頻域指標(biāo)大多則呈現(xiàn)隨時(shí)間逐步下降的趨勢(shì)[3]。與常見的持續(xù)收縮所致的肌肉疲勞不同，久坐伴隨的是腰部肌群以固定姿勢(shì)的長(zhǎng)時(shí)間輕微牽拉[4]。腰部肌群的牽拉在很大程度上取決于腰椎的弧度以及腰椎與髖關(guān)節(jié)的角度，因此不同的坐姿決定了腰部肌群牽拉的程度。明確腰部肌群在不同的坐姿之間、在長(zhǎng)時(shí)間久坐前后，其最大活動(dòng)水平和功能狀態(tài)的變化，能為工效學(xué)的座椅設(shè)計(jì)、預(yù)防醫(yī)學(xué)提供一定的電生理依據(jù)。

據(jù)此，本實(shí)驗(yàn)擬選擇4種不同角度的座椅以模擬4種不同的坐姿，記錄在不同座椅久坐前后腰部豎脊肌最大隨意收縮力量(maximum voluntary contraction, MVC)測(cè)試時(shí)的sEMG信號(hào)，用以考察：(1)腰部肌肉的活動(dòng)水平即最大隨意收縮能力的輸出是否因久坐以及不同坐姿而發(fā)生變化；(2)久坐以及不同姿勢(shì)的久坐是否影響了腰部肌肉的功能狀態(tài)即最大力量的持續(xù)輸出能力是否被影響。

1 對(duì)象與方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

32名女性青年志愿者參加本次試驗(yàn)，年齡(20.56± 1.68)歲；身高(164.19±4.63)cm；體重(52.70±6.42)kg。試驗(yàn)期間受試者身體健康狀況良好，無肌肉疲勞現(xiàn)象，試驗(yàn)前24 h未進(jìn)行任何形式的劇烈運(yùn)動(dòng)。參加本試驗(yàn)前熟悉流程和要求并簽訂試驗(yàn)協(xié)議。

1.2 儀器和材料

Mega肌電信號(hào)采集系統(tǒng)，一次性心電監(jiān)護(hù)電極，醫(yī)用酒精，棉球，細(xì)砂紙，4張不同的辦公座椅(圖1)。座椅A：帶垂直靠背，高43 cm；座椅B：椅背垂直于地面，座椅面往下傾斜與座椅面呈110°；座椅C：椅背垂直于地面，座椅面往上傾斜與座椅面呈70°；座椅D：座椅面水平與地面，椅背向后傾斜與座椅面呈130°。

Fig. 1 Chairs for different sedentary positions

1.3 測(cè)試方案

1.3.1 久坐姿勢(shì) 受試者隨機(jī)分為4組，每組8人分別坐于相應(yīng)編號(hào)的座椅，身體自然靠于椅背，雙腳踏于地面(其中座椅C的被試將雙腳踏于20 cm的木板)。保持上述姿勢(shì)持續(xù)2 h，可以抬手玩手機(jī)，但必須將背部和腿部自然貼于椅背和座椅面。

1.3.2 腰部MVC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì) 受試者雙腳站立，與肩同寬，膝關(guān)節(jié)略微彎曲，上身與地面呈45°，頸部后仰15°，整個(gè)脊椎呈反弓姿勢(shì)。同時(shí)，要求受試者雙手下壓后腦，腰背部肌肉持續(xù)最大發(fā)力，竭力使整個(gè)脊椎保持反弓姿勢(shì)。在正式測(cè)試前，受試者在實(shí)驗(yàn)者指導(dǎo)下均熟練標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)。

1.3.3 測(cè)試程序 在正式試驗(yàn)之前的預(yù)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)MVC標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)下sEMG信號(hào)進(jìn)行重復(fù)性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示sEMG信號(hào)的時(shí)頻指標(biāo)均無顯著差異。在正式試驗(yàn)開始前以及久坐2 h后立即進(jìn)行1 min的腰部MVC測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)由主試全程監(jiān)督，同時(shí)采集sEMG信號(hào)。

1.4 信號(hào)采集與處理

sEMG信號(hào)采用雙電極法進(jìn)行記錄。以左側(cè)腰部豎脊肌第3和第4腰椎為參照點(diǎn)，探測(cè)電極相距3 cm分別置于左側(cè)腰椎旁1 cm的肌腹部位，電極與肌纖維呈平行放置，參照電極置于左側(cè)。采樣頻率為1 000 Hz，帶通濾波20～500 Hz，噪聲水平小于1 μV?？疾旒∪獾挠昧λ綍r(shí)，截取MVC測(cè)試時(shí)第0.5秒至第3.5秒的3 s信號(hào)；探究肌肉的功能狀態(tài)時(shí)，取MVC測(cè)試1 min的全程信號(hào)。用MegaWin2.01自帶的程序分別計(jì)算每段信號(hào)的平均肌電振幅(average EMG, AEMG)和平均功率譜頻率(mean power frequency, MPF)值。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

2 結(jié)果

2.1 不同坐姿久坐前后時(shí)頻指標(biāo)AEMG及MPF的比較

雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，AEMG值在久坐前后、不同坐姿之間均無顯著差異(表1)。LSD檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，AEMG值在B組明顯大于A組(表1)。MPF值在久坐前后、不同坐姿之間均無顯著差異(表2)。

Tab. 1 Values of AEMG and the two-way ANOVA(μV, n=8)

*P<0.05vschair A

Tab. 2 Values of MPF and the two-way ANOVA(Hz, n=8)

2.2 不同坐姿久坐前后MVC過程中頻域指標(biāo)MPF的比較

在4種座椅的久坐前后，在腰部豎脊肌全程1 min的MVC測(cè)試中，全程MPF值在久坐后比久坐前明顯下降，但在不同坐姿之間無顯著差異(表3)。

Tab. 3 Values of MPF during the whole MVC and the two-way ANOVA(Hz, n=8)

*P<0.05vsbefore

3 討論

肌肉活動(dòng)的“力—電”關(guān)系特指肌肉在非疲勞狀態(tài)下的活動(dòng)水平與sEMG信號(hào)特征變化之間的關(guān)系。傳統(tǒng)線性時(shí)頻分析研究發(fā)現(xiàn)，大部分運(yùn)動(dòng)肌的肌電振幅指標(biāo)如平均肌電值A(chǔ)EMG和肌電頻率指標(biāo)如平均功率頻率MPF在一定MVC%范圍內(nèi)具有單調(diào)遞增的變化規(guī)律[2]。

女性更易受久坐所累，體力活動(dòng)更少，久坐是女性下腰痛的風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)因素[4]。本試驗(yàn)以青年女性為受試者，觀察其腰部豎脊肌在不同坐姿久坐前后的sEMG信號(hào)變化。為比較豎脊肌的最大活動(dòng)水平，本研究選取MVC測(cè)試時(shí)第0.5秒至3.5秒的3 s信號(hào)以作比較，結(jié)果顯示除在A組和B組之間外，AEMG值在不同坐姿的久坐前后并無明顯變化。由此提示，在2 h的久坐前后，豎脊肌的最大用力水平可能并無明顯變化，即久坐不影響腰部豎脊肌的最大力量輸出。在不同坐姿之間的比較中，除在B組要明顯大于A組，總體AEMG值亦并無明顯差異。作為描述 sEMG信號(hào)振幅變化的指標(biāo)，AEMG的規(guī)律性在以往“力-電”關(guān)系研究中是較好的。在控制良好的情況下，尤其是四肢肌群的時(shí)域指標(biāo)多呈線性遞增[5]。因腰部脊椎肌群涉及70多塊，本試驗(yàn)采用的是O’Sullivan的MVC標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)，其規(guī)律性可能不如四肢肌群。O’Sullivan等在比較2種不同坐姿時(shí)，發(fā)現(xiàn)多裂肌時(shí)域指標(biāo)RMS的活動(dòng)水平在底面呈下斜活動(dòng)的動(dòng)態(tài)椅子要明顯小于普通椅子，并推測(cè)這種差異源自髖關(guān)節(jié)角度的變化[6]。座椅B類似于O’Sullivan實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)椅子，其坐姿的髖關(guān)節(jié)角度明顯大于普通座椅A，或許這是AEMG值大于座椅A的原因。相對(duì)于O’Sullivan的坐姿實(shí)時(shí)信號(hào)分析，本實(shí)驗(yàn)考察的是4種坐姿久坐前后的MVC測(cè)試信號(hào)。根據(jù)髖關(guān)節(jié)角度推測(cè)久坐對(duì)豎脊肌的活動(dòng)水平影響時(shí)，理論上久坐于座椅A、座椅C更易影響其最大輸出力量的改變，但實(shí)驗(yàn)中上述差異只發(fā)生在座椅A與座椅B之間，此結(jié)果值得進(jìn)一步研究。

經(jīng)快速傅里葉轉(zhuǎn)換之后，頻域指標(biāo)MPF反映的是sEMG信號(hào)功率譜的頻率構(gòu)成特征。相對(duì)于時(shí)域指標(biāo)，頻域指標(biāo)的變化趨勢(shì)顯得較為多變：在一定MVC范圍內(nèi)隨負(fù)荷強(qiáng)度的增加而遞增，但也有少數(shù)研究得到了并不具有張力依賴性甚至是隨力遞減的結(jié)果。在先前的久坐實(shí)驗(yàn)中，頻域指標(biāo)在久坐前后腰部肌肉的MVC測(cè)試中并未呈顯著變化[7]。本試驗(yàn)也得到了相同的結(jié)果，即不同姿勢(shì)的久坐前后，MPF值在MVC測(cè)試時(shí)的3 s信號(hào)中均無明顯變化。

除考察運(yùn)動(dòng)肌不同的活動(dòng)水平之外，評(píng)價(jià)肌肉的功能狀態(tài)是sEMG信號(hào)分析技術(shù)的另一關(guān)注點(diǎn)。諸多脊椎相關(guān)疾病如下腰痛，其始發(fā)原因均源于脊椎肌肉長(zhǎng)時(shí)間姿勢(shì)維持所致的疲勞。以往研究發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)時(shí)間等張收縮所誘發(fā)的肌肉疲勞時(shí)，頻域指標(biāo)往往呈整體遞減的趨勢(shì)。Pattanasin A.等在比較盤腿坐姿和跪姿兩種姿勢(shì)下2 h手工活對(duì)軀干肌群的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)盤腿坐姿時(shí)多裂肌頻域指標(biāo)MF在30 min內(nèi)的下降斜率更大[8]。Inge R.等在30 min的交替激活與脊椎肌肉疲勞的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，30 min的sEMG信號(hào)中RMS呈線性遞增，MF則無明顯變化[9]。本試驗(yàn)選取了4種不同髖關(guān)節(jié)角度的坐姿，分別比較腰部肌肉在久坐前后的MVC測(cè)試中全程信號(hào)的變化。其一，我們認(rèn)為4種不同的髖關(guān)節(jié)角度已經(jīng)能基本涵蓋日常的坐姿，2 h的時(shí)長(zhǎng)亦能模擬日常的久坐時(shí)間。其二，在預(yù)實(shí)驗(yàn)的主觀疲勞評(píng)價(jià)上，1 min 的持續(xù)MVC已經(jīng)誘發(fā)了受試者豎脊肌的疲勞，且MVC測(cè)試比久坐的常態(tài)姿勢(shì)更能反映其功能狀態(tài)。因先前的研究發(fā)現(xiàn)，個(gè)體的MPF變化趨勢(shì)并非完全呈線性變化，本實(shí)驗(yàn)選取的是全程信號(hào)的MPF均值以作比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在久坐后MPF均值明顯下降。此結(jié)果提示，久坐使腰部豎脊肌在MVC測(cè)試時(shí)的功能狀態(tài)有所改變，即久坐之后豎脊肌變得更易疲勞，但髖關(guān)節(jié)的角度并不對(duì)此產(chǎn)生影響。與肌肉持續(xù)收縮誘發(fā)的疲勞不同，坐姿的維持有賴于脊椎肌群的穩(wěn)定，涉及到腰部肌群的輕度牽拉，且牽拉的程度與髖關(guān)節(jié)的角度相關(guān)。Inge R.提出脊椎的屈曲程度越大，則相關(guān)肌肉的活動(dòng)越小[9]。De Carvalho D用射線照相研究發(fā)現(xiàn)，中性坐姿、靠背支撐、肩部支撐和座面傾斜4種不同坐姿在減少脊椎彎曲方面并無顯著差異[10]。本試驗(yàn)比較的4種座椅中，座椅C的髖關(guān)節(jié)角度最小，座椅B和座椅D是由兩種不同脊椎姿勢(shì)維持、但髖關(guān)節(jié)角度相似但均大于座椅A。從舒適度而言，被試主觀反映座椅D是最舒適的(座椅面水平、椅背后仰)。從腰部肌肉的維持上講，座椅C的牽拉程度最大，應(yīng)更易誘發(fā)肌肉的疲勞，MPF的預(yù)期結(jié)果是座椅C>座椅A>座椅B>座椅D。但本試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)MPF均值在不同坐姿間并無明顯差異，究竟是1 min的MVC收縮時(shí)間尚不足以完全誘發(fā)豎脊肌的疲勞，還是因?yàn)槠渌治鲋笜?biāo)上的原因，有待進(jìn)一步的探究。