基于sEMG的駕駛員肌肉疲勞研究

劉 澳 雷宇乾 萬(wàn)博鋒 胡 鴻教授 易燦南教授

( 湖南工學(xué)院 安全與管理工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421102)

0 引言

駕駛作業(yè)普遍存在于生產(chǎn)生活中，由于長(zhǎng)時(shí)間工作，負(fù)荷大、姿勢(shì)不當(dāng)以及車輛行駛過(guò)程中存在振動(dòng)等原因，容易造成駕駛員肌肉疲勞累積，從而導(dǎo)致肌肉骨骼損傷(Musculoskeletal Disorders，MSDs)[1]。據(jù)調(diào)查，80%以上汽車駕駛員不同程度存在MSDs[2]。

駕駛員肌肉疲勞研究一直是國(guó)內(nèi)外安全科學(xué)、工效學(xué)、交通工程等學(xué)科研究熱點(diǎn)。例如：Zhang等[3]研究駕駛過(guò)程中頸肌疲勞與表面肌電信號(hào)(Surface Electromyogramphy，sEMG)近似熵之間的關(guān)系，提出疲勞狀態(tài)預(yù)測(cè)方法；王玉化等[4]基于sEMG研究草原公路駕駛員腰部肌肉疲勞恢復(fù)特征；包薩日娜等[5]以積分肌電值(Intergrated Electromyogramphy，IEMG)與中值頻率(Median Frequency，MF)為指標(biāo)，研究駕駛員頸部肌肉疲勞發(fā)展；祝榮欣[6]探究頸部斜角肌IEMG、均方根值(Root Mean Square，RMS)、平均功率(Mean Power Frequency，MPF)、MF和樣本熵隨駕駛時(shí)間而變化的特征；陳曉靜等[7-8]研究草原公路駕駛員肌肉疲勞發(fā)展情況；王福旺[9]分析長(zhǎng)途客車駕駛員疲勞；張鴻[10]通過(guò)測(cè)量主觀疲勞和光電容積脈搏信號(hào)，研究模擬駕駛作業(yè)疲勞情況；王琳[11]和付榮榮等[12]基于sEMG以及其他多模態(tài)生理信號(hào)探究駕駛疲勞信息檢測(cè)方法?；谖墨I(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有駕駛員肌肉疲勞相關(guān)研究：較多采用sEMG技術(shù)探究駕駛員疲勞發(fā)展情況；研究對(duì)象主要聚焦于草原公路小汽車駕駛、農(nóng)用車輛駕駛、高速公路駕駛以及模擬道路駕駛[3-12]；沒(méi)有檢索到城市外環(huán)道路駕駛員肌肉疲勞發(fā)展情況。城市外環(huán)道路在城市交通中占據(jù)重要地位，車流量大、車速普遍較快，且由于行人穿行以及較多車輛合入、分流，車況較為復(fù)雜。在這種駕駛環(huán)境下，駕駛員肌肉疲勞發(fā)展特征還屬未知。

基于此，本研究關(guān)注城市外環(huán)道路上駕駛員肌肉疲勞問(wèn)題，通過(guò)測(cè)量行車過(guò)程駕駛員各肌群肌肉活動(dòng)特征以及主觀疲勞評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)，探究駕駛員肌肉疲勞特性，以期為合理安排駕駛休息時(shí)間、提高行車效率、保障行車安全、降低MSDs等方面提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)組織

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

駕駛員肌肉疲勞累積風(fēng)險(xiǎn)高，容易導(dǎo)致MSDs。因此，本實(shí)驗(yàn)的目的是探究駕駛員在城市外環(huán)道路駕駛時(shí)的肌肉疲勞風(fēng)險(xiǎn)。駕駛員疲勞研究中一般通過(guò)sEMG探究局部肌群肌肉疲勞發(fā)展情況，通過(guò)主觀評(píng)分評(píng)價(jià)主觀疲勞感覺(jué)。為探究駕駛員在城市外環(huán)道路上駕駛時(shí)身體各局部肌群的肌肉疲勞發(fā)展情況，基于文獻(xiàn)[3-12]的經(jīng)驗(yàn)和調(diào)查結(jié)果，確定測(cè)量頸部左右斜角肌、肩部右斜方肌上束、右肱二頭肌和腰部左右豎脊肌6個(gè)肌群。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

在湖南省衡陽(yáng)市珠暉區(qū)城市外環(huán)線路上進(jìn)行行車實(shí)驗(yàn)，單程約42km，如圖1。公路設(shè)計(jì)等級(jí)為一級(jí)公路，路幅寬約65m，雙向6車道，由于道路限速，行駛過(guò)程中車速保持60km/h左右，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2h。該路段為該市主要交通干道，是城市道路系統(tǒng)的骨架，聯(lián)結(jié)著城市主要工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)以及商業(yè)區(qū)等，承擔(dān)城市的主要客貨運(yùn)交通。實(shí)驗(yàn)前課題組對(duì)路段進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，道路的長(zhǎng)度、寬度以及車流量等滿足實(shí)驗(yàn)要求，且具有一定代表性。

圖1 研究路段

實(shí)驗(yàn)前，主試1檢查車輛狀況，了解被試狀態(tài)并交代相關(guān)事項(xiàng)，提前查詢被試路段的交通狀況和天氣情況，保證所有被試在天氣晴朗的同一時(shí)間段(上午9：00～11：00)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為減少車內(nèi)環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中關(guān)閉車載音響、手機(jī)等電子設(shè)備，禁止不必要的交談和搖車窗等動(dòng)作。被試以個(gè)人習(xí)慣自由駕駛，不限制坐姿，駕車路過(guò)終點(diǎn)或起點(diǎn)后掉頭行駛直至完成2h駕駛?cè)蝿?wù)。主試1負(fù)責(zé)主觀評(píng)分記錄和實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)控，主試2負(fù)責(zé)sEMG信號(hào)采集和標(biāo)記。

1.3 被試

有償招聘7名駕駛經(jīng)驗(yàn)豐富的被試參與實(shí)驗(yàn)，平均年齡和駕齡分別為(39.9±8.4)歲、(5.9±1.6)年，見(jiàn)表1。所有被試身體健康狀況良好，無(wú)肌肉酸痛、腰部勞損現(xiàn)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)路段不熟悉，實(shí)驗(yàn)前24h內(nèi)不得飲酒和咖啡，實(shí)驗(yàn)前12h禁止劇烈運(yùn)動(dòng)且保證7h以上睡眠。

表1 被試基本信息表

1.4 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

(1)實(shí)驗(yàn)車輛：自動(dòng)擋轎車。

(2)肌電采集設(shè)備：8通道Noraxon無(wú)線表面肌電采集系統(tǒng)；醫(yī)用膠帶；固定綁帶；一次性心電電極片(康任CH50RB)；75%醫(yī)用噴式酒精；棉球；筆記本電腦一臺(tái)；采樣頻率為2000Hz。

(3)秒表：記錄作業(yè)和休息時(shí)間。

(4)高清手機(jī)：拍攝作業(yè)環(huán)境和作業(yè)姿勢(shì)。

1.5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。主試1先去除被試頸部左右斜角肌、肩部右斜方肌上束、右肱二頭肌和腰部左右豎脊肌總共6個(gè)肌群皮膚表面毛發(fā)，再用75%醫(yī)用酒精棉球反復(fù)擦拭，將電極片成對(duì)貼于各個(gè)肌群肌腹處的皮膚表面(沿肌纖維縱軸方向貼)，每對(duì)電極片間隔2cm，電極用繃帶進(jìn)行固定，用醫(yī)用膠帶固定傳感器，并連接好傳感器、記錄儀、電源、電腦等儀器。

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。當(dāng)被試駕駛車輛進(jìn)入直道且平穩(wěn)行駛時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，主試1每10min詢問(wèn)一次被試進(jìn)行駕駛疲勞主觀評(píng)分(Subjective Ratings of Driving Fatigue，SRDF)[13](見(jiàn)表2)并記錄，同時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過(guò)程；主試2實(shí)時(shí)監(jiān)控sEMG信號(hào)并標(biāo)記：每10min標(biāo)記一次，當(dāng)車行駛于彎道、掉頭、遇紅綠燈時(shí)也進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)記。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后被試基于Borg CR-10量表[14]匯報(bào)頸部、腰背、右手和右腿主觀疲勞評(píng)分(Ratings of Perceived Exertion，RPE)。

表2 駕駛疲勞主觀評(píng)分

1.6 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)總共記錄42組(7位被試×6個(gè)肌群)sEMG數(shù)據(jù)，84個(gè)(7位被試×12個(gè)時(shí)刻)SRDF數(shù)據(jù)，28個(gè)(7位被試×4個(gè)身體部位)RPE數(shù)據(jù)。對(duì)sEMG數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、整流、濾波(10～500Hz)、平滑和標(biāo)準(zhǔn)化等處理，截取每10min前后10s數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(避開(kāi)彎道、紅綠燈和掉頭)，標(biāo)準(zhǔn)化處理方式為計(jì)算每位被試當(dāng)次實(shí)驗(yàn)的最大值并將該值作為標(biāo)準(zhǔn)化的基準(zhǔn)值[15]；參考文獻(xiàn)[16-17]的經(jīng)驗(yàn)，提取IEMG與MF研究肌肉疲勞發(fā)展；進(jìn)行方差分析以研究不同時(shí)刻上SRDF的差異；對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后不同身體部位RPE進(jìn)行配對(duì)T檢驗(yàn)以分析不同身體部位RPE評(píng)分的差異；對(duì)sEMG數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析以探究IEMG和MF隨時(shí)間而變化的規(guī)律，進(jìn)行回歸分析以獲得MF擬合方程斜率；利用Excel 2019匯總整理數(shù)據(jù)，利用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 主觀評(píng)分分析結(jié)果

方差分析結(jié)果顯示不同時(shí)刻上SRDF存在顯著差異(p<0.05)，隨著時(shí)間的推進(jìn)，SRDF逐漸上升。Duncan分析[18]結(jié)果(見(jiàn)表3)顯示各時(shí)刻上SRDF：120min時(shí)刻顯著高于10～90min；90min顯著高于10～60min；60min顯著高于10～30min。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后頸部、腰背、右腿和右手RPE評(píng)分依次為(3.43±0.98)、(5.00±1.73)、(3.86±2.19)和(2.57±0.98)。不同身體部位之間RPE配對(duì)T檢驗(yàn)結(jié)果顯示(見(jiàn)表4)：腰背RPE與頸部和右手RPE存在顯著性差異(p<0.05)；頸部RPE與右手RPE差異亦顯著(p<0.05)；其他差異不顯著(p>0.05)。綜合各部位RPE均值和配對(duì)T檢驗(yàn)結(jié)果，此實(shí)驗(yàn)腰背疲勞明顯。

表3 SRDF的Duncan 分析結(jié)果

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后各身體部位RPE配對(duì)T檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 sEMG數(shù)據(jù)分析結(jié)果

sEMG分析通常包括時(shí)域分析和頻域分析，時(shí)域指標(biāo)包括IEMG，平均肌電值(Averaged Electromyogramphy，AEMG)和RMS，頻域指標(biāo)包括MF和MPF。肌肉疲勞研究中通常結(jié)合時(shí)域和頻域指標(biāo)進(jìn)行分析，選取時(shí)域的1個(gè)或多個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)單位動(dòng)員或肌纖維募集情況，選取頻域的MF或者M(jìn)PF研究功率譜變化情況[3-8，11-12]。本實(shí)驗(yàn)IEMG隨駕駛時(shí)間變化趨勢(shì)(如圖2)，6個(gè)肌群IEMG上升趨勢(shì)都不明顯。

圖2 IEMG隨時(shí)間變化趨勢(shì)

當(dāng)負(fù)荷不大時(shí)，常用MF下降率來(lái)評(píng)估肌肉疲勞發(fā)展情況[19-21]。MF隨時(shí)間變化趨勢(shì)，如圖3。雖然圖中各肌群MF下降趨勢(shì)不是很明顯，但是將10～120min上各肌群MF值進(jìn)行擬合回歸，發(fā)現(xiàn)除左斜角肌和右豎脊肌以外，其他4個(gè)肌群MF均出現(xiàn)下降趨勢(shì)，見(jiàn)表5。表5中，t為時(shí)間，斜率為負(fù)，則表明擬合方程具有下降趨勢(shì)，功率譜左移，肌群疲勞累積較為明顯。

圖3 MF隨時(shí)間變化趨勢(shì)

表5 擬合方程

3 討論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)記錄駕駛過(guò)程sEMG和主觀評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)，探究城市外環(huán)道路駕駛過(guò)程中肌肉疲勞發(fā)展情況。本實(shí)驗(yàn)中(見(jiàn)表3)：0～50min為駕駛員“沒(méi)有不舒適”駕駛階段；51～90min為“有些不舒適”階段；100min左右由于疲勞，開(kāi)始“不舒適”；100～120min皆為“不舒適”。王琳[11]實(shí)驗(yàn)基于SOFI-25(Swedish Occupational Fatigue Inventory-25)獲得120min駕駛?cè)蝿?wù)中主觀評(píng)分，將本實(shí)驗(yàn)和王琳[11]實(shí)驗(yàn)中所獲得主觀評(píng)分進(jìn)行比較(如圖4)。雖然2個(gè)實(shí)驗(yàn)中所用量表不一致，但均為10分制量表，所以對(duì)其進(jìn)行對(duì)比以探究疲勞發(fā)展過(guò)程。2個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)均為120min且均誘發(fā)駕駛疲勞：舒適駕駛時(shí)間，王琳[11]實(shí)驗(yàn)中為0～60min，本實(shí)驗(yàn)為0～50min；疲勞開(kāi)始時(shí)間，王琳[11]實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)在90min，本實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)在90～100min之間(見(jiàn)表3)。這說(shuō)明2個(gè)實(shí)驗(yàn)的駕駛舒適時(shí)間和疲勞出現(xiàn)時(shí)間具有較好的一致性。2個(gè)實(shí)驗(yàn)疲勞評(píng)分在80min左右出現(xiàn)交叉(如圖4)：80min之前，本實(shí)驗(yàn)評(píng)分高于王琳[11]實(shí)驗(yàn)；80min后，本實(shí)驗(yàn)評(píng)分稍低于王琳[11]實(shí)驗(yàn)。這可能是由真實(shí)和模擬駕駛環(huán)境下駕駛員心理負(fù)荷差異所致：行車實(shí)驗(yàn)中駕駛員需要一直關(guān)注路況并且實(shí)現(xiàn)安全駕駛，初始行車過(guò)程駕駛員心理負(fù)荷大于模擬駕駛實(shí)驗(yàn)環(huán)境，因而造成疲勞評(píng)分相對(duì)較高；在實(shí)驗(yàn)后期，單調(diào)的模擬駕駛實(shí)驗(yàn)環(huán)境導(dǎo)致心理負(fù)荷相對(duì)較大，從而導(dǎo)致該環(huán)境下駕駛作業(yè)評(píng)分相對(duì)較高。本實(shí)驗(yàn)中駕駛員疲勞出現(xiàn)時(shí)間與付榮榮等[12]以及于曉東[22]的研究結(jié)果也一致。

圖4 主觀評(píng)分隨時(shí)間而變化

120min駕駛實(shí)驗(yàn)后：腰背肌肉疲勞明顯(5.00±1.73)，達(dá)到“強(qiáng)烈”等級(jí)；頸部(3.43±0.98)和右腿部(3.86±2.19)次之，屬于“中等”；右手最弱(2.57±0.98)，僅為“輕微”級(jí)別。腰背肌肉疲勞“強(qiáng)烈”，這與駕駛中久坐有關(guān)，但表5中僅左豎脊肌出現(xiàn)疲勞，這可能與駕駛中駕駛員右腳需要進(jìn)行加速與減速所致，右腳運(yùn)動(dòng)過(guò)程帶動(dòng)右豎脊肌而緩解了久坐疲勞。當(dāng)然這也可能是由于腰背部疲勞肌群可能為腰背部其他肌群如背闊肌所致，實(shí)驗(yàn)中為了防止豎脊肌處電極片受壓而引起數(shù)據(jù)變化，在被試腋窩下方放置一U型枕以使被試貼放電極片處不必緊貼座椅且保持駕駛舒適，可能U型枕的放置使得背闊肌受力增強(qiáng)，豎脊肌疲勞累積減緩。頸部疲勞的原因可能是由于路況比較復(fù)雜，駕駛員需要頻繁觀察反光鏡所致，表5數(shù)據(jù)顯示右斜角肌出現(xiàn)疲勞，這與駕駛中需要較多觀察右邊路況而進(jìn)行相關(guān)操作的情況一致。右手RPE評(píng)分較低，但表5數(shù)據(jù)顯示右肱二頭肌出現(xiàn)疲勞，這可能與肱二頭肌較多參與日?；顒?dòng)，雖然產(chǎn)生疲勞，但人的主觀感覺(jué)并不明顯。實(shí)驗(yàn)中所有肌群IEMG上升趨勢(shì)不明顯，可能是由于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有關(guān)，為使實(shí)驗(yàn)條件與真實(shí)行車盡可能一致，并不限制坐姿，而且所有被試在行車駕駛中，特別在90min后，都存在調(diào)整坐姿、四肢伸展等動(dòng)作，可能就是這些原因共同導(dǎo)致IEMG上升趨勢(shì)不明顯、MF下降率不大。

4 結(jié)論

(1)城市外環(huán)道路駕駛中，駕駛員肌肉疲勞明顯，且隨時(shí)間逐漸增強(qiáng)。駕駛結(jié)束后，腰背RPE達(dá)到“強(qiáng)烈”，要重點(diǎn)關(guān)注這個(gè)部位的肌肉疲勞累積問(wèn)題，建議休息時(shí)要加強(qiáng)腰背的運(yùn)動(dòng)，以緩解肌肉疲勞。

(2)0～50min駕駛員“沒(méi)有不舒適”駕駛，90～100min駕駛員出現(xiàn)疲勞，建議在90min后采取一些干預(yù)措施，緩解疲勞累積。

(3)本研究存在以下缺陷。首先，僅招募到7名被試，sEMG數(shù)據(jù)規(guī)律性不強(qiáng)可能就是由于被試數(shù)量較少導(dǎo)致。其次，腋窩下方放置U型枕導(dǎo)致腰背受力發(fā)生變化，但由于沒(méi)有采集姿勢(shì)數(shù)據(jù)，所以無(wú)法對(duì)腰背具體受力情況進(jìn)行分析。在后期實(shí)驗(yàn)中，將調(diào)整相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行進(jìn)一步研究。