融合腦電與肌電信號(hào)分析的沙發(fā)靠背角度適老性測(cè)定

周橙旻，黃婷，張子欣，吳智慧，葉永珍，曹振強(qiáng)

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210037； 2.海太歐林集團(tuán)有限公司，南京 211316)

智慧康養(yǎng)適老產(chǎn)業(yè)已成為中國雙循環(huán)形勢(shì)下的新增長(zhǎng)點(diǎn)[1]。借助科學(xué)研究和新興技術(shù)來開發(fā)健康舒適的康養(yǎng)適老家居環(huán)境和家具產(chǎn)品已經(jīng)成為當(dāng)前和未來的研究熱點(diǎn)與產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)[2-3]。沙發(fā)為日常生活高頻使用家具，可拆解為靠背、扶手、坐墊等，久坐會(huì)引發(fā)腰部疼痛、臀部酸脹、肩頸不適等問題。研究表明沙發(fā)的舒適性與其功能尺寸相關(guān)，其中靠背角度尤為關(guān)鍵。沙發(fā)的舒適度大多數(shù)可以根據(jù)用戶實(shí)際生理信號(hào)判斷，如體壓分布、sEMG信號(hào)、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)等[4-6]。Zhang等[7]研究了飛機(jī)靠枕角度與乘客睡眠疲勞度之間的關(guān)系，研究表明靠枕角度為110°時(shí)頸部肌肉疲勞度最大。Intolo等[8]研究了在沙發(fā)辦公肩頸部位的姿勢(shì)與肌肉疼痛之間的聯(lián)系，利用EMG信號(hào)與視覺模擬量表(visual analog scale，VAS)得出在沙發(fā)上，辦公容易造成頸部疼痛。沙發(fā)的舒適性不僅對(duì)生理信號(hào)產(chǎn)生影響，也會(huì)產(chǎn)生心理負(fù)荷，對(duì)用戶行為表現(xiàn)產(chǎn)生負(fù)面影響[9-11]。Hu等[12]模擬不同角度下的沙發(fā)靠背傾角，通過用戶主觀量表最終得出在正常狀態(tài)下靠背傾斜角度最佳閾值為100°～120°。適老沙發(fā)可從材質(zhì)、尺寸、工藝等部分進(jìn)行適老化改進(jìn)，本研究以靠背角度為切入點(diǎn)，結(jié)合腦電圖(Electroencephalogram，EEG)與肌電圖(Electromyogram，EMG)多通道生理信號(hào)，探究靠背傾斜角度與老年用戶疲勞度之間的關(guān)系，并為適老化沙發(fā)的設(shè)計(jì)提供參考閾值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)方法

為探究沙發(fā)靠背角度的適老性，擬采集老年用戶的EEG與EMG信號(hào)以此反映沙發(fā)靠背角度的實(shí)際適老化水平，特招募共19位年齡60～75歲的老年被試(表1)，要求其無腰背以及腿部慢性疾病，身體狀況良好。

表1 被試身體基本狀況Table 1 Basic physical conditions collected from testing people

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)主要采集老年被試的EEG與EMG信號(hào)。實(shí)驗(yàn)采用ErgoLAB sEMG可穿戴表面肌電儀，表面肌電通過依附在皮膚表面的電極采集而得。本次實(shí)驗(yàn)共佩戴8塊表面肌電儀，左右對(duì)稱分布，佩戴部位為：①左右腹部肌，用于觀測(cè)被試在沙發(fā)靠背角度變換時(shí)腹部肌肉收縮變化；②左右背部豎脊肌，被試使用沙發(fā)行為中包括躺平一項(xiàng)過程，其間背部會(huì)受角度變化而產(chǎn)生壓力差，為此需要檢測(cè)背部實(shí)際肌肉收縮狀況；③左右小腿腓腸肌，被試使用沙發(fā)過程中由于角度變換，被試的腿部略有變化，為此需要檢測(cè)被試腿部實(shí)際肌肉收縮狀況；④左右斜方肌，用以觀測(cè)被試頭枕靠背斜方肌收縮變化。本試驗(yàn)采用ErgoLAB EEG 8導(dǎo)可穿戴腦電儀，實(shí)時(shí)采集被試在不同靠背角度下腦電信號(hào)變化狀況。

1.3 試驗(yàn)材料

現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備1把測(cè)試用椅：可調(diào)節(jié)靠背角度的沙發(fā)1個(gè)，尺寸為705 mm×985 mm×1 205 mm，座面傾角為3°，初始靠背角度為105°，扶手間距為545 mm，材料選擇上采取老年用戶接受度高的實(shí)木和棉麻面料，如圖1所示。為被試穿戴好表面肌電儀與腦電儀，雙手扶在扶手上，以輕松姿態(tài)處于沙發(fā)上,頭頸部位倚靠沙發(fā)頭枕，全程保持安靜。實(shí)驗(yàn)全程由試驗(yàn)人員通過設(shè)備中心遠(yuǎn)程設(shè)置靠背傾角，每個(gè)角度停留5 min，以此采集用戶的實(shí)時(shí)生理反饋信息。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，久坐的疲勞指數(shù)與時(shí)間相關(guān)，一般超過50 min被試產(chǎn)生肌肉疲勞[13]，因此本次實(shí)驗(yàn)排除久坐帶來的肌肉疲勞度的增長(zhǎng)。

1.4 試驗(yàn)步驟

本次刺激材料的靠背傾斜角度分為105°，115°，125°和135°4個(gè)角度。具體步驟如下：①被試佩戴EEG與EMG信號(hào)采集設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)人員通過設(shè)備中心遠(yuǎn)程調(diào)整實(shí)驗(yàn)沙發(fā)靠背傾角為105°，被試頭部靠頭枕位置，雙手扶靠扶手，呈現(xiàn)自然放松狀態(tài)。為排除被試說話等帶來的腦電信號(hào)波動(dòng)，實(shí)驗(yàn)全程保持安靜。②被試保持輕松休閑狀態(tài)，時(shí)長(zhǎng)滿5 min后靠背狀態(tài)105°結(jié)束。③被試離開實(shí)驗(yàn)座椅，自由放松活動(dòng)消除短暫疲勞，休息時(shí)長(zhǎng)為5 min。④現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員通過設(shè)備中心遠(yuǎn)程調(diào)整實(shí)驗(yàn)沙發(fā)靠背傾角為115°，被試重復(fù)上述操作，試驗(yàn)人員采集同步信號(hào)。⑤重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟。

圖1 被試生理信號(hào)采集示意圖Fig.1 Schematic of physiological signal acquisition for testing people

2 結(jié)果與分析

2.1 EEG信號(hào)處理結(jié)果與分析

2.1.1 EEG信號(hào)處理方法

本次無線腦電采用水電極通過清水作為介質(zhì)與頭皮接觸測(cè)量，通過藍(lán)牙實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。本次共采集8個(gè)腦電點(diǎn)位，分別為：FPZ、F3、FZ、F4、P3、P4、O1、O2。本次EEG處理采用濾波濾噪。本次腦電波段分為5個(gè)波段：γ(Gamma)波對(duì)人腦的認(rèn)知活動(dòng)和信息在腦中的傳遞、綜合處理以及反饋等高級(jí)活動(dòng)有重要作用[14]；β(Beta)波振幅為5～20 μV，是腦電波中頻率較快的，在額區(qū)和中央?yún)^(qū)比較明顯[15]；α(Alpha)波振幅為20～100 μV，在腦電波中屬于頻率較快波段，在人體頭部的任何部位均可檢測(cè)到α波，但是在枕區(qū)和頂區(qū)比較明顯，形狀近似正弦波[16]；θ(Theta)波振幅為20～150 μV，是腦電波中頻率較慢的，一般在頂區(qū)與顳區(qū)比較明顯[17]；δ(Delta)波一般振幅比較大，20～200 μV，是腦電波中頻率最慢的，主要出現(xiàn)在額葉和枕葉，一般出現(xiàn)在深度睡眠狀態(tài)下，清醒狀態(tài)時(shí)捕捉困難[18]。大腦可分為頂葉、顳葉、額葉與枕葉，其中頂葉主要負(fù)責(zé)處理骨骼肌、四肢等內(nèi)部反饋。本次實(shí)驗(yàn)主要采集被試在休閑狀態(tài)下的肌肉與腦電變化狀況，因此主要選取頂葉部位的電極位為重點(diǎn)觀察對(duì)象，選取β、α、θ 3種波段作為本次腦力疲勞的主要判別參數(shù)。

2.1.2 EEG信號(hào)處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

EEG信號(hào)采集完成后利用MATLAB數(shù)學(xué)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，高通截止頻率為5 Hz，帶阻截止頻率為50 Hz，低通截止頻率為500 Hz，事件相關(guān)電位中事件相關(guān)窗口為-200～800 ms，基線為-200 ms，ERP測(cè)量窗口范圍為200～400 ms。預(yù)處理的數(shù)據(jù)由EEGLAG生成初步信號(hào)輸入圖(圖2)，采用歸一化方法生成EEG信號(hào)的PSD時(shí)間頻譜圖(圖3)。

圖2 EEGLAG生成Fpz通道初步信號(hào)輸入圖Fig.2 EEGLAG generates a preliminary signal input diagram for the Fpz channel

圖3 歸一化處理后Fpz通道PSD時(shí)間頻譜圖Fig.3 PSD time spectrum of Fpz channel after normalization

本次實(shí)驗(yàn)總功率和平均功率腦電地形圖如圖4所示，初步階段靠背角度為105°和115°時(shí)做功較多，靠背角度為125°與135°時(shí)整體腦部信號(hào)轉(zhuǎn)為平靜。

將4種靠背傾角下的EEG信號(hào)波段進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，匯總各個(gè)階段不同波段的總功率與平均功率，如表2所示。在4種狀態(tài)中α波段做功最多，分別占各個(gè)階段的67.40%，34.84%，79.05%，51.87%。人體處于相對(duì)疲勞狀態(tài)時(shí)α波段減少，β波段會(huì)增加，在靠背狀態(tài)為125°時(shí)β波功率占比最少，僅為10.58%，說明此時(shí)被試處于較為輕松狀態(tài)，而靠背狀態(tài)處于135°時(shí)，β波功率百分比為28.00%，說明此時(shí)被試疲勞度增加，舒適度減輕。

圖4 4種靠背狀態(tài)下腦電信號(hào)地形圖Fig.4 Topography of EEG signals in four reclining states

表2 4種靠背傾角下腦電波段功率Table 2 EEG band power at four recline angles

θ波與β波能量比值F(θ/β)，θ波與α波能量總和與β波能量比值F[(α+θ)/β]作為腦電疲勞評(píng)估的特征量[19-20]。隨著F(θ/β)的上升，疲勞程度進(jìn)一步加深。由表3可以看出，靠背狀態(tài)125°時(shí)F[(α+θ)/β]數(shù)值為1.56，遠(yuǎn)低于其余3種靠背傾角狀態(tài)時(shí)的F[(α+θ)/β]數(shù)值。因此在靠背傾角為125°時(shí)，老年被試的腦電疲勞程度最低；在靠背傾角為115°時(shí)，老年被試的腦電疲勞程度最高。腦電疲勞程度并非隨著靠背角度的變化呈現(xiàn)線性規(guī)律上升，而是在靠背傾角為115°時(shí)達(dá)到峰值，靠背傾角越大，沙發(fā)整體趨于平躺，更容易給老年被試營造睡眠假象，因此在適老沙發(fā)設(shè)計(jì)中休閑或輔助睡眠功能為主的沙發(fā)靠背傾角設(shè)置跨度應(yīng)盡可能趨于平躺狀態(tài)，更多降低腦力負(fù)荷程度。

表3 4種靠背傾角下腦電波段比值Table 3 EEG band ratios at four recline angles

2.2 EMG信號(hào)處理結(jié)果與分析

2.2.1 EMG信號(hào)處理方法

EMG信號(hào)處理中采用歸一化整流方法，以滑動(dòng)均方根為采集過濾依據(jù)，MVC閾值設(shè)置為1 000 μV，在周期分析中最小時(shí)間為1 000 ms，最小間隔為1 000 ms，激活閾值為10%，高通截止頻率為5 Hz，帶阻截止頻率為50 Hz，低通截止頻率為500 Hz。

2.2.2 EMG信號(hào)處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

本次肌電信號(hào)采集單人單通道采集數(shù)據(jù)為245 250條，19位被試?yán)塾?jì)采集20 601 000條肌電數(shù)據(jù)，依據(jù)前文劃分的4個(gè)行為階段，對(duì)應(yīng)取均值以此觀測(cè)被試的具體反應(yīng)。本次肌電信號(hào)采集中EMG1為右側(cè)腹部肌群，EMG2為右側(cè)背部豎脊肌，EMG3為右小腿腓腸肌，EMG4為右側(cè)斜方肌肌群，EMG5～EMG8為對(duì)應(yīng)的左側(cè)肌群。剔除電磁波干擾頻段，以靠背狀態(tài)105°時(shí)EMG信號(hào)為例，如圖5所示。預(yù)處理后的EMG功率波段變化呈現(xiàn)規(guī)律起伏，表明初步采集干擾項(xiàng)較少，信號(hào)接收數(shù)據(jù)較好。

圖5 靠背角度105°下EMG信號(hào)采集Fig.5 EMG signal acquisition at 105° reclining state

以靠背105°狀態(tài)下的EMG信號(hào)為例，基礎(chǔ)功率信號(hào)如圖5所示，為進(jìn)一步得到其功率譜密度函數(shù)的高階矩陣(power spectral density，PSD)，需將自相關(guān)函數(shù)代入后進(jìn)行歸一化處理，最終進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)。隨機(jī)變量X、Y的關(guān)系在統(tǒng)計(jì)函數(shù)中如式(1)所示：

(1)

若X為時(shí)間上的隨機(jī)序列，則從相異時(shí)間點(diǎn)開始的兩個(gè)隨機(jī)變量為Xs與μs，則式(1)的表達(dá)式可寫為式(2)：

(2)

在此變換過程中如果是純隨機(jī)過程(purely random process)，即隨機(jī)序列過程不存在序列關(guān)系，具有零均值同方差則可視為白噪音過程(white nose)。因此在本段數(shù)據(jù)處理中，X是本段信號(hào)時(shí)間的隨機(jī)變量序列，而在不同時(shí)間點(diǎn)的兩個(gè)隨機(jī)序列Xt與Xs則為兩個(gè)隨機(jī)變量，式(2)的表達(dá)則轉(zhuǎn)變?yōu)槭?3)：

(3)

當(dāng)隨機(jī)變量產(chǎn)生樣本時(shí)，可轉(zhuǎn)化為式(4)：

(4)

公式(4)可簡(jiǎn)化為兩個(gè)向量的內(nèi)積表達(dá)，如式(5)所示。

(5)

本次EMG信號(hào)處理中向量的自相關(guān)函數(shù)以卷積的形式表達(dá)，如式(6)所示:

(6)

利用歸一化數(shù)據(jù)信號(hào)處理將EMG信號(hào)壓縮至[0，1],即如式(7)所示。若該數(shù)據(jù)為最小值，則歸一化后結(jié)果為0；如該數(shù)據(jù)為最大值，則歸一化后結(jié)果為1。

yi=xi/∑xi

(7)

本次歸一化后的數(shù)據(jù)處理如圖6所示。在靠背傾角為105°～125°時(shí)被試腹部做功較多，處于較為緊繃狀態(tài)；靠背傾角為135°時(shí)背部受壓迫，背部豎脊肌肌群收縮舒張較為顯著；靠背狀態(tài)處于105°～125°，腹部肌肉歸一化數(shù)值處于[0.05，0.25]，總體高于其余類別肌肉，相較于此，腹部肌群處于激活狀態(tài)；靠背狀態(tài)處于135°時(shí)，腹部肌群顯著放松，偶有身姿挪動(dòng)造成的間歇肌肉收縮刺激，背部肌群活躍，承擔(dān)多數(shù)壓力，疲勞指數(shù)上漲。

圖6 不同靠背狀態(tài)歸一化處理后下EMG信號(hào)采集Fig.6 EMG signal acquisition after normalization of different reclining states

若一個(gè)信號(hào)片段的功率譜為Pxx(ω)，ω為功率，則表達(dá)式為：

(8)

信號(hào)的功率譜密度即為該信號(hào)片段相關(guān)函數(shù)的傅里葉變化，利用維納-辛欽定理(Wiener-Khinchine Theorem)可以計(jì)算出該EMG信號(hào)片段的PSD片段，如式(9)所示。其中F(s)為信號(hào)f(t)的傅里葉變換。

F(s)F(s)=|F(s)|2

(9)

處理后的PSD片段如圖7所示。功率譜用于表征單位頻率上的能量分布，本實(shí)驗(yàn)用其描述此次EMG信號(hào)的頻域結(jié)果。在靠背傾角為105°時(shí)，頻譜峰值最高達(dá)4 957 μV2/Hz，因此腹部肌群在靠背傾角為105°時(shí)收縮舒張起伏最大，此時(shí)腹部肌群保持相對(duì)緊繃狀態(tài)。

EMG的方差(VAR，公式中記為VAR)計(jì)算公式如式(10)所示，其中Xi為EMG信號(hào)的時(shí)間序列，N為采樣點(diǎn)數(shù)。

(10)

積分肌電表示在一定時(shí)間內(nèi)肌肉參與活動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)單位的放電總量，反映一段時(shí)間內(nèi)肌肉的肌電活動(dòng)強(qiáng)弱。iEMG值反映運(yùn)動(dòng)時(shí)參與肌肉收縮時(shí)每個(gè)運(yùn)動(dòng)單位的放電量和肌纖維數(shù)目。通常其幅值越大，疲勞程度越重，是評(píng)價(jià)肌肉疲勞的重要指標(biāo)，計(jì)算公式如式(11)所示，其中u指肌電信號(hào)指標(biāo)數(shù)值，N為采樣頻率。

iEMG=(|u1|+|u2|+|u3|+……+|un|)/N

(11)

肌電信號(hào)的絕對(duì)平均值計(jì)算公式如式(12)所示：

(12)

利用式(10)～(12)可以計(jì)算處理后的EMG變化參數(shù)，具體4種狀態(tài)下的4類通道EMG參數(shù)變化如表4所示。采集分析4種靠背狀態(tài)下不同傾角通道的方差、RMS、MAD以及iEMG數(shù)值，其中iEMG數(shù)值作為主要評(píng)判老年被試疲勞度的詳細(xì)準(zhǔn)則。

圖7 靠背狀態(tài)105°時(shí)不同通道EMG信號(hào)PSDFig.7 PSD of different channels of EMG signals at 105° in the backrest state

表4 4種靠背狀態(tài)EMG變化參數(shù)Table 4 Four states EMG variation parameters

由表4可知，EMG1在靠背傾斜角度為125°時(shí)肌肉最放松，在靠背傾斜角度為105°時(shí)肌肉最緊張。EMG2在靠背傾斜角度為125°時(shí)肌肉最放松，在靠背傾斜角度為135°時(shí)肌肉最緊張，此時(shí)靠背傾斜角度過大，導(dǎo)致壓力轉(zhuǎn)移至背部，因此背部豎脊肌肌群收縮。EMG3在靠背傾斜角度為125°時(shí)肌肉最放松，在靠背傾斜角度為105°時(shí)肌肉最緊張，但是4種狀態(tài)下肌肉收縮變化差別不大。EMG4在靠背傾斜角度為125°時(shí)肌肉最放松，在靠背傾斜角度為135°時(shí)肌肉最緊張，此時(shí)靠背傾斜角度過大，導(dǎo)致壓力轉(zhuǎn)移至背部，因此背部斜方肌肌群收縮，導(dǎo)致肌肉疲勞度增加。在靠背傾斜角度為105°時(shí)，老年被試處于上半身較為直立的狀態(tài)，因此腹部肌群受力，收縮較為頻繁；在靠背傾斜角度為115°時(shí)，老年被試上半身微微后仰，腿部壓力轉(zhuǎn)移，腿部肌群收縮減緩，疲勞度得到緩解；在靠背傾斜角度為125°時(shí)，老年被試上半身后仰，各部分肌群得到放松，處于最為舒適階段；在靠背傾斜角度為135°時(shí)，老年被試上半身完全后仰，身體重心轉(zhuǎn)移，壓力轉(zhuǎn)移至背部，導(dǎo)致背部肌群緊縮，疲勞度大幅增長(zhǎng)。

3 討論與結(jié)論

本研究主要實(shí)驗(yàn)人群為老年用戶，實(shí)驗(yàn)過程主要依托EEG與EMG兩種生理信號(hào)進(jìn)行疲勞度的判別。本實(shí)驗(yàn)并未進(jìn)行主觀量表的測(cè)試，因此未能結(jié)合老年被試的主觀情緒與感受進(jìn)行多方維度的評(píng)估。在腦電負(fù)荷指標(biāo)中直接沿用既往的實(shí)驗(yàn)研究，因此后續(xù)也將進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證各個(gè)腦電指標(biāo)與比率之間的信度關(guān)系。實(shí)驗(yàn)過程中限定被試保持安靜，處于比較平靜休閑的狀態(tài)，但是相關(guān)研究表明，老年用戶久坐時(shí)間較長(zhǎng)，其中活動(dòng)分布寬泛，比如看電視、看書等動(dòng)態(tài)動(dòng)作較多[21-22]。本次實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限，未能針對(duì)老年用戶久坐產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)活動(dòng)進(jìn)行情景模擬，因此無法更為契合多種情景下的使用。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中將增設(shè)模擬看電視、看書、聊天等多維動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，并且延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)一步探究時(shí)間與老年被試肌肉疲勞度之間的關(guān)聯(lián)，以此為適老化沙發(fā)的多模態(tài)開發(fā)與設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

本研究探究在適老化先決條件下4種靠背傾斜角度與老年被試疲勞度之間的關(guān)系，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)中采集的EEG和EMG信號(hào)預(yù)處理與結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，得出以下結(jié)論：

1)在靠背傾斜角度為125°時(shí)老年被試的EEG信號(hào)反應(yīng)最放松，而在靠背傾斜角度為115°時(shí)老年被試的EEG信號(hào)反應(yīng)最疲勞。

2)在EMG信號(hào)采集中在靠背傾斜角度為125°時(shí)，老年被試各個(gè)肌群EMG的iEMG指數(shù)最低，即此刻肌肉疲勞度最低。

3)在靠背傾斜角度轉(zhuǎn)變過程中，老年被試的肌肉疲勞肌群隨著身體位移與重心改變發(fā)生變化，由腿部肌肉疲勞受力轉(zhuǎn)變?yōu)楹蟊臣∪浩谑芰Α?/p>

4)綜合EEG與EMG信號(hào)指標(biāo)，本次研究證明在靠背傾斜角度為125°時(shí)，處于休閑狀態(tài)的老人整體最為放松，此角度也是設(shè)計(jì)休閑類適老沙發(fā)的最佳靠背傾斜角度。