表面肌電技術(shù)在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

王 敏 黃豆豆 陳春云

（1.東華大學(xué)，上海，200051；2.現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200051）

肌電信號(hào)是指神經(jīng)肌肉收縮時(shí)發(fā)出的生物電信號(hào)，可以通過(guò)電極引導(dǎo)和記錄［1］。按照信號(hào)采集方式的不同，肌電信號(hào)分為表面肌電信號(hào)（Surface Electromyography，sEMG）和針電極肌電信號(hào)。sEMG 是指利用電極在肌肉表面采集到的肌肉和神經(jīng)干上的電位活動(dòng)信息；針電極肌電信號(hào)是指用插入到肌肉中的針電極收集到的在針電極周?chē)邢薹秶鷥?nèi)的運(yùn)動(dòng)單元電位的總和［2］。sEMG 的獲取比針電極肌電信號(hào)在操作上更為簡(jiǎn)便且不具有侵入性和創(chuàng)傷性，因而在臨床醫(yī)學(xué)的神經(jīng)肌肉疾病診斷、康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的肌肉恢復(fù)機(jī)能評(píng)估、體育科學(xué)中疲勞程度判定、技術(shù)動(dòng)作的合理性分析以及人機(jī)工效學(xué)領(lǐng)域的動(dòng)作識(shí)別與學(xué)習(xí)等方面均發(fā)揮著重要作用。

隨著以人為本的研究理念在服裝領(lǐng)域的不斷深入，結(jié)合生理學(xué)、心理學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的相關(guān)理論和研究手段，科學(xué)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)服裝的功能屬性已成為服裝領(lǐng)域研究的趨勢(shì)。為促進(jìn)多學(xué)科交叉技術(shù)手段與服裝科技研發(fā)的融合，本研究聚焦表面肌電技術(shù)，闡述了sEMG 的形成原理、采集和分析方法，總結(jié)了近年來(lái)表面肌電技術(shù)在服裝科技研究中的應(yīng)用進(jìn)展，同時(shí)也指出了應(yīng)用中的難點(diǎn)和局限，最后基于表面肌電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用現(xiàn)狀，提出未來(lái)表面肌電技術(shù)與服裝研究結(jié)合的趨勢(shì)，為擴(kuò)大表面肌電技術(shù)在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用提供思路。

1 sEMG 的產(chǎn)生、采集及分析

1.1 產(chǎn)生機(jī)理

sEMG 發(fā)源于脊髓中的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元細(xì)胞體的軸突伸展到肌纖維處，經(jīng)終板與肌纖維耦合。細(xì)胞體、終板、軸突與肌纖維一起構(gòu)成完整的運(yùn)動(dòng)單位（Motor Unit，MU）。MU 由受同一運(yùn)動(dòng)神經(jīng)支配的肌肉纖維群組成，是肌肉的最小功能單位。肌肉接收到指令被激活時(shí)，一個(gè)MU 內(nèi)所有單纖維動(dòng)作電位在時(shí)間和空間上的綜合疊加形成動(dòng)作電位，連續(xù)的刺激使MU 產(chǎn)生動(dòng)作電位序列。肌肉活動(dòng)募集多個(gè)MU，經(jīng)由肌肉、皮下組織和皮膚等組成的容積導(dǎo)體的濾波作用后，在檢測(cè)電極處形成的信號(hào)即為sEMG［3］。

1.2 采集方法

sEMG 較微弱，幅值只有微伏級(jí)，一般在100 μV～5 000 μV，其峰-峰值一般在0 mV～6 mV，均方根在0 mV～1.5 mV；具有研究信息的信號(hào)頻率在0 Hz～500 Hz，50 Hz～150 Hz 內(nèi)的信號(hào)有重要的參考價(jià)值［4］。由于sEMG 較微弱且易受干擾，故有效采集是其后續(xù)應(yīng)用的前提條件。

sEMG 采集系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理如圖1 所示。電極是傳感器，用于檢測(cè)體內(nèi)流動(dòng)的離子電流在皮膚上產(chǎn)生的電勢(shì)差。在應(yīng)用電極之前，通常需要對(duì)皮膚進(jìn)行清潔處理，去除死細(xì)胞和油性物質(zhì)，減少起電容器作用的角質(zhì)層厚度，以降低電極-皮膚阻抗，并提高接觸的穩(wěn)定性和質(zhì)量［5］。sEMG 記錄過(guò)程中受電子元器件的固有噪聲、環(huán)境噪聲、工頻干擾和運(yùn)動(dòng)偽跡等影響，信噪比會(huì)降低［6］。因此需要經(jīng)過(guò)放大、整流和濾波等處理，最后以肌電圖的形式呈現(xiàn)。

圖1 sEMG 采集系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理

目前產(chǎn)品化的表面肌電采集設(shè)備較多，美國(guó)BIOPAC 公司生產(chǎn)的MP160 型16 通道生理記錄儀，在多種生理信號(hào)聯(lián)合分析上具有較大優(yōu)勢(shì)；其不僅可以記錄肌電信息，還可以記錄心電、腦電、眼電、皮電、脈搏、呼吸和體溫等生理數(shù)據(jù)，因而在生命科學(xué)、人因工程領(lǐng)域以及心理學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較多。

1.3 分析方法

1.3.1 sEMG 的一般分析方法

sEMG 的分析方法主要有線(xiàn)性系統(tǒng)的時(shí)域分析和頻域分析，還有時(shí)頻聯(lián)合分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等特殊分析方法，以及尚處于探索階段的混沌分形、復(fù)雜度、熵等非線(xiàn)性分析方法。時(shí)域分析是在時(shí)間域中對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行分析的方法，描述的是sEMG 的振幅特征在時(shí)間維度上的變化情況，主要特征參數(shù)有積分肌電（Integrated Electromyogram，iEMG）和均方根（Root Mean Square，RMS）。頻域分析是借助傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得肌電信號(hào)的頻譜或功率譜，定量反映肌電信號(hào)頻譜的移動(dòng)和不同頻率分量的變化，常用指標(biāo)有平均功率頻率（Mean Power Frequency，MPF）和中位頻率（Median Frequency，MF）［7］。由于肌電信號(hào)具有不平穩(wěn)特點(diǎn)，單一的時(shí)域或頻域分析無(wú)法全面反映肌肉活動(dòng)信息，采用非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)方法分析肌電信號(hào)并提取特征值已成為新的研究趨勢(shì)，但目前還不成熟。

1.3.2 運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞相關(guān)的肌電信號(hào)分析方法

運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞是指運(yùn)動(dòng)引起肌肉產(chǎn)生最大肌肉收縮或者最大輸出功率暫時(shí)性下降的生理現(xiàn)象［8］。隨著肌肉運(yùn)動(dòng)性疲勞特征的出現(xiàn)，其內(nèi)部肌纖維和神經(jīng)活動(dòng)發(fā)生變化，所表現(xiàn)出的就是肌肉肌電信號(hào)的變化，因兩者密切的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，故可以使用肌電信號(hào)特征來(lái)描述運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞。運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞常通過(guò)肌電信號(hào)的時(shí)域指標(biāo)和頻域指標(biāo)反映。研究發(fā)現(xiàn)，肌肉在疲勞過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)單位的參與數(shù)量增加，肌電的時(shí)域值總趨勢(shì)上升，在頻域指標(biāo)中的表現(xiàn)則是肌電的功率譜向低頻轉(zhuǎn)移，低頻比重增加，高頻比重減少，特征量MPF、MF減小。

肌肉疲勞的產(chǎn)生會(huì)改變肌電信號(hào)的振幅和頻率，這些改變同時(shí)也受肌力的影響，單獨(dú)考慮振幅和頻率與肌肉疲勞的關(guān)系只適用于考慮相同的力產(chǎn)生的表面肌電部分，因而在研究中具有局限性。ALWIN L 等［9］開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了一種幅值和頻率聯(lián)合分析sEMG 的幅頻聯(lián)合分析方法（JASA），如圖2 所示。該方法將肌電活動(dòng)（Electrical Activity，EA）和MF頻譜的變化分成4 種情況，以判斷肌肉力量的增減和肌肉疲勞。肌肉力量的增減分別表現(xiàn)為：EA和MF隨時(shí)間同時(shí)增加，如圖2 右上象限；EA下降和MF下降，如圖2 左下象限。肌肉疲勞表現(xiàn)為：EA增加，MF下降，如圖2右下象限；EA下降，MF增加，可認(rèn)為肌肉在從疲勞態(tài)中得以恢復(fù)，如圖2 左上象限。

圖2 JASA 的示意圖

JASA 也存在一定局限性［10］。首先，該方法的適用范圍限于中等強(qiáng)度的負(fù)荷水平，無(wú)法對(duì)高強(qiáng)度的活動(dòng)進(jìn)行分析。其次，從JASA 的分析結(jié)果可以得知肌肉的活動(dòng)狀態(tài)以及疲勞結(jié)果，但如何定量確定肌肉的疲勞程度并沒(méi)有得到解決，如何測(cè)定或反映疲勞進(jìn)程，特別是對(duì)由多塊肌肉協(xié)同工作的活動(dòng)，肌肉疲勞的先后順序及各自疲勞程度該如何確定，都未給出解決辦法。因而，關(guān)于肌電信號(hào)分析尤其在肌肉疲勞判定領(lǐng)域還有待進(jìn)一步探究。

2 表面肌電技術(shù)在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用

表面肌電技術(shù)除了在臨床醫(yī)學(xué)、康復(fù)科學(xué)、體育科學(xué)及人機(jī)工效領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用外，近年來(lái)在服裝研究領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越多。

2.1 在運(yùn)動(dòng)防護(hù)服裝研究中的應(yīng)用

sEMG 可以反映肌肉的激活狀態(tài)、活動(dòng)參與度和持續(xù)時(shí)間，明確肌電活動(dòng)強(qiáng)度、肌肉疲勞程度以及肌肉間的協(xié)調(diào)模式、運(yùn)動(dòng)員沖刺中的表現(xiàn)驅(qū)動(dòng)因素和潛在傷害風(fēng)險(xiǎn)等。研究人員基于sEMG的特征提取和分析，對(duì)運(yùn)動(dòng)防護(hù)服裝進(jìn)行分區(qū)域功能設(shè)計(jì)可以緩解肌肉疲勞，防止運(yùn)動(dòng)損傷，提高穿著者運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

張春霞［11］通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)中下肢肌電信號(hào)特征并結(jié)合主觀(guān)疲勞評(píng)價(jià)和心率變化，對(duì)運(yùn)動(dòng)壓縮褲的合理化設(shè)計(jì)和改善提出了建議：針對(duì)不同的肌肉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及肌肉的運(yùn)動(dòng)性能特點(diǎn)，采取不同程度的緊身壓迫，達(dá)到緩解運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞的目的。同樣，曹丹［12］通過(guò)計(jì)算iEMG、RMS和MPF，分析研究腿部肌肉在運(yùn)動(dòng)時(shí)的貢獻(xiàn)力度和疲勞度，實(shí)現(xiàn)針對(duì)肌肉疲勞問(wèn)題設(shè)計(jì)功能跑步褲。

在對(duì)騎行褲的研究中，程寧波等［13］、陳金鰲等［14］利用表面肌電測(cè)量騎行過(guò)程中不同壓力對(duì)肌肉的影響和肌肉疲勞程度，發(fā)現(xiàn)合適的服裝壓力有助于減少肌肉能量損耗，在騎行中后期可有效幫助緩解肌肉疲勞，且服裝壓力對(duì)不同部位呈現(xiàn)出不同的防護(hù)效果。

針對(duì)籃球運(yùn)動(dòng)，YAN Y 等［15］研究了服裝壓對(duì)男子籃球運(yùn)動(dòng)中上肢疲勞的影響，指出：籃球訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)雖充分調(diào)動(dòng)了全身的肌肉活動(dòng)，但相關(guān)動(dòng)作主要發(fā)力肌肉群不同，肌肉疲勞程度也不同，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)防護(hù)服裝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同肌肉的參與程度設(shè)置不同的加壓防護(hù)等級(jí)。劉青青等［16］利用表面肌電技術(shù)針對(duì)籃球運(yùn)動(dòng)中膝關(guān)節(jié)的防護(hù)性進(jìn)行研究，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的功能防護(hù)服。

隨著女性對(duì)運(yùn)動(dòng)防護(hù)的重視，運(yùn)動(dòng)文胸相關(guān)的研究也得到關(guān)注。SCURR J C等［17］、MILLIGAN A 等［18］研究了不同運(yùn)動(dòng)形式、不同強(qiáng)度的文胸支撐對(duì)肌肉活動(dòng)的影響，基于對(duì)胸大肌、頸部肌肉和肩背部肌肉的表面肌電特征分析，證實(shí)高強(qiáng)度文胸支撐下乳房的肌肉活動(dòng)比低強(qiáng)度支撐明顯減弱，具有更好的防護(hù)性能。

在以上研究中，表面肌電技術(shù)主要應(yīng)用于緊身類(lèi)的運(yùn)動(dòng)防護(hù)服裝，通過(guò)分析某類(lèi)運(yùn)動(dòng)中肌肉活動(dòng)狀態(tài)及特點(diǎn)，利用服裝對(duì)肌肉采取不同程度的壓迫，以緩解運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞。未來(lái)有必要通過(guò)進(jìn)一步研究服裝壓力與肌肉活動(dòng)之間的內(nèi)在關(guān)系，用以指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)防護(hù)類(lèi)服裝設(shè)計(jì)。

2.2 在負(fù)重裝備系統(tǒng)研究中的應(yīng)用

通過(guò)監(jiān)測(cè)臀中肌、腹直肌、豎脊肌、股外肌和腓腸肌等相關(guān)肌肉肌電信號(hào)變化的監(jiān)測(cè)，能夠有效判別負(fù)重過(guò)程中肌肉參與活動(dòng)的程度，幫助研究者分析得到合理的背負(fù)方式、背負(fù)質(zhì)量和最佳的背負(fù)系統(tǒng)元素組合。

早期BOBET J 等［19］對(duì)豎脊肌和斜方肌在兩種負(fù)重位置的肌電表現(xiàn)探究中發(fā)現(xiàn)，背包中重物在較低位置比高位置可以有效減緩肌肉疲勞。隨著負(fù)重運(yùn)動(dòng)時(shí)間的累積，各肌肉的疲勞狀況也不相同，SIMPSON K M 等［20］測(cè)試了女性在背負(fù)不同質(zhì)量雙肩背包行走時(shí)股外肌和腓腸肌等肌肉的sEMG，結(jié)果表明，20%～40%體重負(fù)荷的增加顯著改變了股外肌與腓腸肌的綜合肌電信號(hào)，并且認(rèn)為女性戶(hù)外背包的質(zhì)量應(yīng)該限制在30%的體重內(nèi)。陳健楠［21］分析了不同坡度地形下背部負(fù)重行走人群的腰背部肌肉疲勞情況，為爬坡時(shí)的背負(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。張露芳等［22］基于表面肌電對(duì)雙肩背負(fù)系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行研究，尋求能夠減緩肌肉疲勞度和損傷的最佳背負(fù)系統(tǒng)元素組合。

針對(duì)軍事負(fù)重準(zhǔn)備系統(tǒng)，PARK H 等［23］進(jìn)行了股直肌、股二頭肌、脛骨前肌和內(nèi)側(cè)腓腸肌的振幅和最大自主等長(zhǎng)收縮測(cè)試，調(diào)查了防彈衣和負(fù)重架的質(zhì)量和質(zhì)量分布對(duì)腿部肌肉功能的影響。KIM S 等［24］、HARRISON M F等［25］通過(guò)表面肌電圖分析頸部肌肉激活狀態(tài)和疲勞度，判定防彈頭盔和夜視鏡使用過(guò)程中可能會(huì)造成的肌肉勞損情況，并給出了合理的質(zhì)量分配建議。

消防服與消防裝置是消防員執(zhí)行任務(wù)中不可或缺 的 裝備，BAKRI I 等［26］通過(guò)測(cè)量11個(gè)部位（頸部、肩部、上背部、下背部、上臂、前臂、手、臀部、大腿、小腿和腳）肌肉疲勞程度，分析得到了合理的消防員自給式呼吸器質(zhì)量；KRATZENSTEIN S 等［27］通過(guò)研究手臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肩部肌肉在不同負(fù)重系統(tǒng)附著高度下的神經(jīng)肌肉反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)消防裝置的高度調(diào)節(jié)可有效緩解肩部肌肉組織的疲勞程度。

與負(fù)重相關(guān)的研究還常常與三維動(dòng)作系統(tǒng)、測(cè)力臺(tái)、壓力測(cè)量、呼吸監(jiān)測(cè)儀等設(shè)備聯(lián)動(dòng)使用，分析負(fù)重量、負(fù)荷位置等因素對(duì)人體生物力學(xué)指標(biāo)（步態(tài)、肌肉活動(dòng)、肩背部受力與壓力分布等）以及生理學(xué)指標(biāo)（心率、能量消耗等）的影響。

2.3 在鞋靴研究中的應(yīng)用

穿著不同鞋靴會(huì)不同程度激活行走相關(guān)的肌肉，最明顯的反映是穿著平底鞋和高跟鞋時(shí)腿部肌肉狀態(tài)水平發(fā)生了明顯變化。KIM H M 等［28］對(duì)穿著不同跟高高跟鞋的健康青年女性從靜坐到站立過(guò)程中的下肢肌電圖變化進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)穿著較高跟高的高跟鞋增加了豎脊肌、股直肌的肌電峰值，過(guò)高的鞋跟高度會(huì)誘發(fā)肌肉不平衡運(yùn)動(dòng)。MIKA A 等［29］通過(guò)分析穿著高跟鞋和平底鞋的肌肉活動(dòng)記錄，發(fā)現(xiàn)相較于平底鞋，軀干和髖伸肌的肌電水平和協(xié)調(diào)模式在穿著高跟鞋時(shí)發(fā)生了明顯的變化，因此有必要持續(xù)關(guān)注穿著高跟鞋對(duì)人體的傷害。

同樣，在鞋子中放置矯正鞋墊會(huì)改變足部穿著環(huán)境，改變肌肉的發(fā)力狀況，通過(guò)記錄觀(guān)測(cè)行走過(guò)程中各肌肉的表面肌電變化可以糾正走路姿勢(shì)。王健等［30］對(duì)與行走相關(guān)肌群的表面肌電平均振幅進(jìn)行檢測(cè)，確定了鞋底類(lèi)型與步行速度對(duì)相關(guān)肌群的影響。廖蘇［31］利用表面肌電測(cè)試系統(tǒng)對(duì)扁平足組和內(nèi)翻膝組穿著矯形鞋墊時(shí)相關(guān)肌肉發(fā)力的時(shí)序和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)矯形鞋墊能改變下肢肌肉活動(dòng)和走路步態(tài)。

以上研究說(shuō)明利用表面肌電測(cè)量可以評(píng)判出穿著不同鞋靴時(shí)肌肉發(fā)力順序和發(fā)力大小的變化。通過(guò)對(duì)肌肉狀態(tài)變化的分析，推斷鞋靴結(jié)構(gòu)的合理性。此外，研究中也常常聯(lián)合使用足底壓力測(cè)試及步態(tài)分析跑臺(tái)、三維測(cè)力臺(tái)等生物力學(xué)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，基于多種客觀(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，共同表征受試者的鞋靴穿著舒適性。

2.4 在智能服裝開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

近年來(lái)，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的智能服裝已得到陸續(xù)開(kāi)發(fā)，其中疾病預(yù)防和運(yùn)動(dòng)管理是智能服裝開(kāi)發(fā)的主流。研究者［32-33］也嘗試將sEMG 傳感器集成到服裝中，幫助用戶(hù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)肌肉信號(hào)，輔助疾病治療或預(yù)測(cè)肌肉疲勞，避免過(guò)度訓(xùn)練引起肌肉損傷。由于肌電測(cè)試對(duì)于電極的放置位置和使用方法具有一定的要求，對(duì)于普通用戶(hù)來(lái)講，相比專(zhuān)業(yè)的肌電測(cè)試儀，以服裝作為載體在使用時(shí)更加方便靈活，更適用于各類(lèi)生活場(chǎng)景。

智能服裝實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵是傳感技術(shù)。電極是sEMG 檢測(cè)的重要傳感器，傳統(tǒng)上用于sEMG 監(jiān)測(cè)的電極多為銀/氯化銀電極，其電解質(zhì)凝膠長(zhǎng)期接觸皮膚可能引起皮膚過(guò)敏等不適反應(yīng)，且不能重復(fù)使用。近年來(lái)，研究者提出了一種基于織物干電極的生物電信號(hào)測(cè)量方法?？椢锔呻姌O依賴(lài)于導(dǎo)電紗，導(dǎo)電紗可以以平紋和蜂窩狀編織模式編織［34］、刺繡［35］，或直接絲網(wǎng)印刷在織物上［36］。但這類(lèi)電極在實(shí)際應(yīng)用中依然存在問(wèn)題，比如吸濕以及洗滌后導(dǎo)致的性能下降。為此，ROUDJANE M 等［37］提出了一種由多種材料金屬聚合物制成的中空纖維電極，纖維的高柔韌性使得它們?nèi)菀渍系椒b和紡織品中，且能有效屏蔽環(huán)境的干擾，比如濕氣的干擾。

此外，KIM S 等［38］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其研究中使用的織物電極直徑大于20 mm，服裝壓力大于1.33 kPa（10 mm Hg）時(shí)，其電極性能與銀/氯化銀電極接近。張佳慧等［39］在織物傳感智能腿套的研究中發(fā)現(xiàn)，電極尺寸設(shè)置過(guò)大或過(guò)小都易出現(xiàn)靜態(tài)肌電信號(hào)異變，影響其靜態(tài)肌電信號(hào)采集效果。因此，開(kāi)發(fā)肌電信號(hào)采集的智能服裝，需要考慮傳感器使用的抗干擾性和耐久性，以及電極尺寸及服裝壓力等設(shè)計(jì)因素，以提高智能服裝的可穿戴性。

把一部小型測(cè)量設(shè)備、導(dǎo)電的紡織品和緊身運(yùn)動(dòng)服結(jié)合到一起，是智能服裝開(kāi)發(fā)的基本思路。目前市面上已有產(chǎn)品化的肌電信號(hào)采集智能服裝，例如美國(guó)ATHOS 公司開(kāi)發(fā)的可穿戴系統(tǒng)以及芬蘭MYONTEC 公司開(kāi)發(fā)的Mbody 運(yùn)動(dòng)短褲，均可以為用戶(hù)提供運(yùn)動(dòng)前后肌肉的實(shí)時(shí)信息，用來(lái)改進(jìn)技術(shù)、成績(jī)和訓(xùn)練質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并預(yù)防應(yīng)力性損傷。但具有肌電采集功能的智能服裝大量推廣仍存在一定障礙，如價(jià)格高、美觀(guān)性不理想、舒適性和易用性不夠等。

3 表面肌電技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)和局限

表面肌電技術(shù)雖然在服裝科技研究領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用，但其技術(shù)本身目前依然存在一些應(yīng)用難點(diǎn)和局限。

從試驗(yàn)操作來(lái)看，電極大小和位置、受試者個(gè)體差異、皮膚表面相對(duì)濕度及油脂厚度、肌肉運(yùn)動(dòng)方式等客觀(guān)因素都有可能干擾肌電信號(hào)的振幅和頻率，造成試驗(yàn)偏差，影響試驗(yàn)結(jié)果。近年來(lái)出現(xiàn)的陣列式表面肌電能避免電極數(shù)目、電極位置、電極排列方向等對(duì)獲取sEMG 的影響，很大程度上提高了表面肌電的準(zhǔn)確率，但目前該類(lèi)表面肌電測(cè)試儀在服裝科技研究領(lǐng)域還未得到應(yīng)用。

在肌電信號(hào)分析上，sEMG 屬于微弱的電信號(hào)，易受到噪聲影響，目前廣泛應(yīng)用的線(xiàn)性分析方法在全面反映肌肉活動(dòng)信息上存在不足，而非線(xiàn)性分析方法還不成熟。除此，在肌肉疲勞評(píng)價(jià)方面，實(shí)驗(yàn)室研究所確立的指標(biāo)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)研究還存在一定的問(wèn)題。例如：在動(dòng)態(tài)工作中，肌電信號(hào)的振幅及功率譜變化不僅與疲勞程度有關(guān)，還和肌力大小有關(guān)，根據(jù)sEMG 振幅的增加和頻譜左移來(lái)判定肌肉疲勞并不完全可靠；并且，實(shí)驗(yàn)室研究的結(jié)論都是在固定姿勢(shì)和恒定靜態(tài)負(fù)荷條件下得出的，而實(shí)際工作中人體動(dòng)作姿勢(shì)及用力大小通常都是變化的，因而不能將實(shí)驗(yàn)室研究的結(jié)論直接用于現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)。未來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和生物電信號(hào)分析理論的不斷進(jìn)步，sEMG 的分析將向著更加快速與準(zhǔn)確的方向發(fā)展。

表面肌電測(cè)試常常與動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、三維測(cè)力臺(tái)、足底壓力及步態(tài)分析設(shè)備等其他生物力學(xué)設(shè)備聯(lián)用。為了保證數(shù)據(jù)分析的可靠性，多臺(tái)設(shè)備最好能夠進(jìn)行同步測(cè)試，但設(shè)備開(kāi)發(fā)企業(yè)并不一定留有同步接口，因而會(huì)造成不同品牌設(shè)備之間無(wú)法兼容的情況。這需要用戶(hù)在搭建測(cè)試平臺(tái)時(shí)從整體上考慮，尋求一套系統(tǒng)的解決方案。此外，sEMG 只是生物電信號(hào)的一種，將肌電與腦電、心電、皮電信號(hào)采集整合，實(shí)現(xiàn)多導(dǎo)生理數(shù)據(jù)同步采集，可以為服裝生理學(xué)和心理學(xué)評(píng)價(jià)提供更為先進(jìn)的技術(shù)。目前已有產(chǎn)品化的多導(dǎo)生理信號(hào)采集儀器，但在服裝科技研究領(lǐng)域的應(yīng)用還不多。

4 結(jié)束語(yǔ)

sEMG 蘊(yùn)含豐富的肌肉運(yùn)動(dòng)信息，在服裝科技研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。運(yùn)動(dòng)防護(hù)服與鞋靴背包設(shè)計(jì)可依據(jù)參與運(yùn)動(dòng)肌肉群的激活時(shí)間和狀態(tài)、以及主要肌肉的參與度和貢獻(xiàn)度明確設(shè)計(jì)要點(diǎn)與需要解決的問(wèn)題。通過(guò)肌電信號(hào)反映的信息判定肌肉疲勞程度，有助于研究者進(jìn)行服裝及其裝備的功能設(shè)計(jì)和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)更好的肌肉支撐，減少肌肉過(guò)度疲勞引起的損傷風(fēng)險(xiǎn)。在智能服裝中利用表面肌電技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)肌肉狀態(tài)，可以給出合理的運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)。

未來(lái)隨著技術(shù)的進(jìn)步，表面肌電技術(shù)將會(huì)更好地輔助科技服裝的研發(fā)和性能測(cè)評(píng)，其在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用還可以從以下方面進(jìn)行擴(kuò)展。首先，結(jié)合步態(tài)分析和行走模式等生物力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，聯(lián)合使用表面肌電、足底壓力測(cè)試、三維測(cè)力臺(tái)、三維動(dòng)作捕捉等設(shè)備，通過(guò)解決設(shè)備間的兼容性和同步問(wèn)題，構(gòu)建系統(tǒng)完整的測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)服裝及裝備工效性能的綜合評(píng)價(jià)。其次，將肌電與腦電、心電、皮電信號(hào)采集整合，實(shí)現(xiàn)多導(dǎo)生理數(shù)據(jù)同步采集，擴(kuò)大生物信號(hào)采集分析方法在服裝生理學(xué)和心理學(xué)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。再次，發(fā)展表面肌電現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)技術(shù)，完善肌肉活動(dòng)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室研究在實(shí)際應(yīng)用中的局限，提高研究成果的普適性，更好地指導(dǎo)功能服裝設(shè)計(jì)研發(fā)。最后，優(yōu)化用于智能服裝的表面肌電傳感器性能，保證安全舒適的使用環(huán)境并確保信號(hào)采集的精度，基于sEMG 技術(shù)的提升與材料科學(xué)的發(fā)展來(lái)進(jìn)一步推進(jìn)肌電傳感智能服裝的研發(fā)。