工程科学学报.第41卷，第11期：1493-1500.2019年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.11:1493-1500,November 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.24.007;http://journals.ustb.edu.cn 长时间颈部前屈对颈部肌肉疲劳的影响 徐明伟，金龙哲四，于露，刘建国，张安琪 北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:忉jin@ustb.edu.cn 摘要长期颈部前屈对颈椎造成严重影响.为定量评估长时间低头对颈椎疲劳造成的影响，选取20名健康受试者，保持低 头角度40°~60°持续3.选择胸锁乳突肌.颈部夹肌和肩部斜方肌测量其表面肌电信号.经滤波、整流、振幅标准化等处理 后，对每60s的肌电值进行积分和求其平均功率频率.研究发现，积分肌电值的波动变化具有规律性，首次增大后的减小表 征肌肉进入疲劳状态；不同肌肉的平均功率频率(mean power frequency,.MPF)值具有明显差异，决定着该肌肉疲劳耐受性的 持续时间，且在整个颈部前屈过程中MPF并非简单的线性关系.提出用MP℉的导数来提取疲劳特征，用窗口化的MPP负数 累积判定肌肉疲劳.结果表明，MP℉负数累积能很好地判断肌肉疲劳，胸锁乳突肌在20in内出现最终疲劳，而颈部夹肌和 肩部斜方肌在20min左右出现了短暂性疲劳，随后在75~100mi时又出现了最终疲劳.因此建议持续颈部前屈时长不超 过20min. 关键词表面肌电：颈椎疲劳：疲劳特征：肌电积分：平均功率频率 分类号TG142.71 Effect of long-term bowing of the head on neck muscle fatigue XU Ming-wei,JIN Long-zhe YU Lu,LIU Jian-guo,ZHANG An-qi School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:Izjin@ustb.edu.cn ABSTRACT Long-term neck flexion posture is a common awkward posture resulting from long-term head-down work,long-term looking at a computer screen,and long-term playing with a mobile phone.Fatigue and chronic injury of cervical muscles are easily caused by long-term bowing of the head.Long-term bowing of the head to play with a mobile phone causes injury to the cervical spine. Long-term neck muscle contraction is an important cause of fatigue and chronic injury of the neck muscles and tissues.Therefore,it is of significance to analyze the changes of muscle activity during long-term neck muscle contraction and to determine the time threshold of neck muscle fatigue to reduce the damage caused by neck muscle fatigue.To quantitatively evaluate the effect of long-term head-down playing with a mobile phone on cervical spine fatigue,20 healthy subjects were selected and kept the head-down angle between 40 and 60 for 3 h.On the basis of the analysis of cervical spine muscle architecture and anthropometry,the surface electromyography (sEMG) of the sternocleidomastoid,cervical gripper,and shoulder trapezius muscles was recorded.The original sEMG data were processed by filtering,rectifying,and amplitude standardization.The EMG values every 60s were integrated,and their mean power frequency(MPF) was calculated.Results show that the fluctuation of the integral EMG is regular and the decrease after the initial increase indicates that the muscle is in the fatigue state.The MPF values of different muscles have obvious differences,which determine the duration of fatigue tolerance of the muscle.Moreover,the MPF does not exhibit a simple linear relationship during the entire bowing process.The results also show that negative MPF accumulation can be used to assess neck muscle fatigue.The sternocleidomastoid muscle is in the fatigue state in 20 min,whereas the cervical gripper and shoulder trapezius muscles are temporarily fatigued in approximately 20 min and in the 收稿日期：2019-04-24 基金项目：国家重点研发计划课题资助项目(2016YFC0801700)
长时间颈部前屈对颈部肌肉疲劳的影响 徐明伟，金龙哲苣，于 露，刘建国，张安琪 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 苣通信作者，E-mail: lzjin@ustb.edu.cn 摘 要 长期颈部前屈对颈椎造成严重影响. 为定量评估长时间低头对颈椎疲劳造成的影响，选取 20 名健康受试者，保持低 头角度 40°～60°持续 3 h. 选择胸锁乳突肌，颈部夹肌和肩部斜方肌测量其表面肌电信号. 经滤波、整流、振幅标准化等处理 后，对每 60 s 的肌电值进行积分和求其平均功率频率. 研究发现，积分肌电值的波动变化具有规律性，首次增大后的减小表 征肌肉进入疲劳状态；不同肌肉的平均功率频率 (mean power frequency，MPF) 值具有明显差异，决定着该肌肉疲劳耐受性的 持续时间，且在整个颈部前屈过程中 MPF 并非简单的线性关系. 提出用 MPF 的导数来提取疲劳特征，用窗口化的 MPF 负数 累积判定肌肉疲劳. 结果表明，MPF 负数累积能很好地判断肌肉疲劳，胸锁乳突肌在 20 min 内出现最终疲劳，而颈部夹肌和 肩部斜方肌在 20 min 左右出现了短暂性疲劳，随后在 75～100 min 时又出现了最终疲劳. 因此建议持续颈部前屈时长不超 过 20 min. 关键词 表面肌电；颈椎疲劳；疲劳特征；肌电积分；平均功率频率 分类号 TG142.71 Effect of long-term bowing of the head on neck muscle fatigue XU Ming-wei，JIN Long-zhe苣 ，YU Lu，LIU Jian-guo，ZHANG An-qi School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: lzjin@ustb.edu.cn ABSTRACT Long-term neck flexion posture is a common awkward posture resulting from long-term head-down work, long-term looking at a computer screen, and long-term playing with a mobile phone. Fatigue and chronic injury of cervical muscles are easily caused by long-term bowing of the head. Long-term bowing of the head to play with a mobile phone causes injury to the cervical spine. Long-term neck muscle contraction is an important cause of fatigue and chronic injury of the neck muscles and tissues. Therefore, it is of significance to analyze the changes of muscle activity during long-term neck muscle contraction and to determine the time threshold of neck muscle fatigue to reduce the damage caused by neck muscle fatigue. To quantitatively evaluate the effect of long-term head-down playing with a mobile phone on cervical spine fatigue, 20 healthy subjects were selected and kept the head-down angle between 40° and 60° for 3 h. On the basis of the analysis of cervical spine muscle architecture and anthropometry, the surface electromyography (sEMG) of the sternocleidomastoid, cervical gripper, and shoulder trapezius muscles was recorded. The original sEMG data were processed by filtering, rectifying, and amplitude standardization. The EMG values every 60 s were integrated, and their mean power frequency (MPF) was calculated. Results show that the fluctuation of the integral EMG is regular and the decrease after the initial increase indicates that the muscle is in the fatigue state. The MPF values of different muscles have obvious differences, which determine the duration of fatigue tolerance of the muscle. Moreover, the MPF does not exhibit a simple linear relationship during the entire bowing process. The results also show that negative MPF accumulation can be used to assess neck muscle fatigue. The sternocleidomastoid muscle is in the fatigue state in 20 min, whereas the cervical gripper and shoulder trapezius muscles are temporarily fatigued in approximately 20 min and in the 收稿日期: 2019−04−24 基金项目: 国家重点研发计划课题资助项目 (2016YFC0801700) 工程科学学报，第 41 卷，第 11 期：1493−1500，2019 年 11 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 11: 1493−1500, November 2019 DOI：10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.24.007; http://journals.ustb.edu.cn
1494 工程科学学报，第41卷，第11期 final fatigue state in 75-100 min.Therefore,it is suggested that the duration of continuous bowing should not exceed 20 min. KEY WORDS surface electromyography:cervical spine fatigue;fatigue characteristics;integral electromyographic;mean power frequency 长时间颈部前屈是常见的不良作业姿势，比 量仪器，仪器的采样频率为1500Hz,主要由直接 如长时间从事低头作业，长时间看电脑屏幕，玩手 传输系统、无线网络发射器、表面肌电测试软件 机等，常会导致长时间颈部前屈这一不良姿势发 等组成（如图1） 生.长期低头容易引起颈项肌群发生疲劳和慢性 损伤山，国内一项对2000例颈椎病患者展开的最 电极 Norxon WIFI传 新调查显示：青少年和上班族患颈椎病的人数徒 片 G2 输器 增，30岁以下患者所占的人数比例比30岁到 50岁的患者高出了22%颈椎病发病有低龄化 的趋势，据统计，30岁以下的颈椎病患者增加显 著，从1996的26%提升至2016年的37%)在对 140名大学生的一项调查中显示，98%的参与者每 天在手机上花费超过3.5h,这增加了颈部患病的 sEMG DTS传 风险)长时间肌肉收缩是导致颈部肌肉和组织疲 采集器 输器 劳损伤的一个重要原因阿，因此利用一定的方法探 图1表面肌电采集配件 究颈部肌肉长时间收缩时肌肉活动的变化，获得 Fig.I Surface electromyography acquisition accessories 肌肉疲劳时间阈值，以减少颈部肌肉疲劳带来的 损伤，这显得极为有意义 (2)受试人员 目前对颈椎疲劳方面的研究大多数集中在对 从北京科技大学挑选20名受试者，男生12， 颈伸肌平衡和颈痛评价上.较少去关注长时间颈 女生8名.所有受试者身体健康状况良好，无颈椎 部前屈造成的颈椎疲劳.Lee等使用麦吉尔疼痛 肌肉损伤，实验前72内未从事剧烈运动，以保持 问卷表(McGill pain questionnaire,.MPQ)和Brog评 受试者肌肉的良好状态，所有受试者均同意并自 分表(Borg scale)进行评价，对颈椎肌肉耐力持续 愿参加本实验.为使个体差异性的影响最小，所选 时间进行测量，对比了有颈痛和无颈痛的颈部肌肉 取人员的年龄、身高和体重相差较小，最终结合 耐力持续时间.Moreno等用光学角度捕捉测试 实际需要，受试人员平均年龄21±1.7岁，体重61.3± 颈椎活动范围，并对颈椎疲劳进行评估，用起始角 9.6kg,身高168±8.6cm,骨骼肌肉质量9.4牡2.4kg 和偏转角来评估颈椎疲劳前后的变化.表面肌电 (3)电极片放置 信号门是肌肉系统在收缩时，能一定程度上反映肌 测量电极之间的距离将影响肌电信号的带宽 肉的活动情况和疲劳程度的一种生理电信号，监测 和幅值，距离过小，会造成信号的叠加或短路，距 该信号在临床疾病的诊断、肌肉力量的评定、肌肉 离过大，易受到附近肌肉信号的干扰3本实验 疲劳的判断等领域得到广泛的应用8-).但对于长时 选用银-氯化银(Ag-AgCI)电极片，控制电极片中 间低头前屈这一姿势的颈部疲劳却鲜有人提及，因 心距离为20mm 此本研究在利用表面肌电(surface electromyography, 1.2实验姿势 sEMG)监测肌肉疲劳研究基础上，研究长时间颈部 本实验模拟的是人在静止状态下长时间颈部 前屈玩手机对颈部肌肉的影响，判断实验人员的疲 前屈玩手机的状态，采用静态人体尺寸标准 劳变化状态以及疲劳的严重程度，最终为科学合理 依据GB10000-88标准，选取人体测量百位数90 的控制低头前屈时间提供理论依据 按照身体各部分比例，计算颈部前屈姿势保持在 1实验设计 40°~60°之间（如图2） 1.3测量肌肉 1.1实验仪器及方法 根据肌肉构筑学特征7-叨，维持颈椎活动稳定 (1)实验仪器 功能的肌肉有夹肌、胸锁乳突肌、斜方肌、头半棘 本实验采用美国Noraxon公司的表面肌电测 肌等肌肉2，但头半棘肌在夹肌下面，临床一般监
final fatigue state in 75–100 min. Therefore, it is suggested that the duration of continuous bowing should not exceed 20 min. KEY WORDS surface electromyography； cervical spine fatigue； fatigue characteristics； integral electromyographic； mean power frequency 长时间颈部前屈是常见的不良作业姿势，比 如长时间从事低头作业，长时间看电脑屏幕，玩手 机等，常会导致长时间颈部前屈这一不良姿势发 生. 长期低头容易引起颈项肌群发生疲劳和慢性 损伤[1] . 国内一项对 2000 例颈椎病患者展开的最 新调查显示：青少年和上班族患颈椎病的人数徒 增 ， 30 岁以下患者所占的人数比例 比 30 岁 到 50 岁的患者高出了 22%[2] . 颈椎病发病有低龄化 的趋势，据统计，30 岁以下的颈椎病患者增加显 著 ，从 1996 的 26% 提升至 2016 年的 37%[3] . 在对 140 名大学生的一项调查中显示，98% 的参与者每 天在手机上花费超过 3.5 h，这增加了颈部患病的 风险[4] . 长时间肌肉收缩是导致颈部肌肉和组织疲 劳损伤的一个重要原因[5] ，因此利用一定的方法探 究颈部肌肉长时间收缩时肌肉活动的变化，获得 肌肉疲劳时间阈值，以减少颈部肌肉疲劳带来的 损伤，这显得极为有意义. 目前对颈椎疲劳方面的研究大多数集中在对 颈伸肌平衡和颈痛评价上. 较少去关注长时间颈 部前屈造成的颈椎疲劳. Lee 等[5] 使用麦吉尔疼痛 问卷表（McGill pain questionnaire, MPQ）和 Brog 评 分表（Borg scale）进行评价，对颈椎肌肉耐力持续 时间进行测量，对比了有颈痛和无颈痛的颈部肌肉 耐力持续时间. Moreno 等[6] 用光学角度捕捉测试 颈椎活动范围，并对颈椎疲劳进行评估，用起始角 和偏转角来评估颈椎疲劳前后的变化. 表面肌电 信号[7] 是肌肉系统在收缩时，能一定程度上反映肌 肉的活动情况和疲劳程度的一种生理电信号，监测 该信号在临床疾病的诊断、肌肉力量的评定、肌肉 疲劳的判断等领域得到广泛的应用[8−12] . 但对于长时 间低头前屈这一姿势的颈部疲劳却鲜有人提及，因 此本研究在利用表面肌电（surface electromyography， sEMG）监测肌肉疲劳研究基础上，研究长时间颈部 前屈玩手机对颈部肌肉的影响，判断实验人员的疲 劳变化状态以及疲劳的严重程度，最终为科学合理 的控制低头前屈时间提供理论依据. 1 实验设计 1.1 实验仪器及方法 （1）实验仪器 本实验采用美国 Noraxon 公司的表面肌电测 量仪器，仪器的采样频率为 1500 Hz，主要由直接 传输系统、无线网络发射器、表面肌电测试软件 等组成（如图 1）. （2）受试人员 从北京科技大学挑选 20 名受试者，男生 12， 女生 8 名. 所有受试者身体健康状况良好，无颈椎 肌肉损伤，实验前 72 h 内未从事剧烈运动，以保持 受试者肌肉的良好状态，所有受试者均同意并自 愿参加本实验. 为使个体差异性的影响最小，所选 取人员的年龄、身高和体重相差较小. 最终结合 实际需要，受试人员平均年龄 21±1.7 岁，体重 61.3± 9.6 kg，身高 168±8.6 cm，骨骼肌肉质量 9.4±2.4 kg. （3）电极片放置 测量电极之间的距离将影响肌电信号的带宽 和幅值，距离过小，会造成信号的叠加或短路，距 离过大，易受到附近肌肉信号的干扰[13−14] . 本实验 选用银−氯化银（Ag−AgCl）电极片，控制电极片中 心距离为 20 mm. 1.2 实验姿势 本实验模拟的是人在静止状态下长时间颈部 前屈玩手机的状态，采用静态人体尺寸标准[15−16] . 依据 GB10000-88 标准，选取人体测量百位数 90. 按照身体各部分比例，计算颈部前屈姿势保持在 40°～60°之间（如图 2）. 1.3 测量肌肉 根据肌肉构筑学特征[17−19] ，维持颈椎活动稳定 功能的肌肉有夹肌、胸锁乳突肌、斜方肌、头半棘 肌等肌肉[20] ，但头半棘肌在夹肌下面，临床一般监 电极 片 Norxon G2 WIFI传 输器 DTS传 输器 sEMG 采集器 图 1 表面肌电采集配件 Fig.1 Surface electromyography acquisition accessories · 1494 · 工程科学学报，第 41 卷，第 11 期
徐明伟等：长时间颈部前屈对颈部肌肉疲劳的影响 1495· 测夹肌，斜方肌和胸锁乳突肌1-四本次实验选取 颈部夹肌、胸锁乳突肌和肩部斜方肌作为测试对 象（位置如图3所示） 1.4实验过程及记录 实验开始前用去角质膏和酒精棉球擦拭相应 39 肌肉，去除皮肤表面角质和污垢，降低皮肤阻抗P3-2刘 3.10 待测量位置完全变干后，按照编号顺序贴电极片 3.11 受试者保持颈部前屈姿势坐在海绵靠背座椅上， 3.1-3.11指不同身体测量项日 玩手机.所有的测试中，实验人员之间禁止互相交 图2人体坐姿尺寸图 流，避免出现相互干扰，实验场景如图4. Fig.2 Dimensional figure of human sitting posture 左颈部 右颈部 夹肌 夹肌 左肩斜 右肩斜 方肌 方肌 胸锁乳 突肌 图3实验肌肉测量位置 Fig.3 Experimental muscle measurement position (3)振幅标准化处理.电极的摆放位置、皮肤 处理的好坏都会存在差异性.通过归一化处理阿 降低单个实验对象的重复实验之间或多个实验对 象实验结果之间的差异性.本实验采用最大肌力 (max voluntary contraction,MVC)进行标准化处理， 利用分析系统内置的MVC进行处理 由于低头看手机并非剧烈运动，肌电信号变 化不明显，因此，需要对肌电信号进行处理才能提 取特征值. 2.2sEMG信号时域结果 图4部分实验场景 时域分析常用的振幅参数包括积分肌电值、 Fig.4 Part of the experimental scenario 平均整流肌电值、均方根值等.本实验采用积分 肌电值分析.肌电积分值(integral electromyographic, 2实验结果 EMG)是一定活动时间内，所有参与活动的运动 2.1实验数据预处理 单位动作电位的放电总量大小四EMG蕴含肌肉 (1)心电去除.在测试上肢肩部肌肉时，心电信 活动的大量信息，包含有肌肉活动在能量（幅值） 号(ECG)会对肌电信号造成干扰P],因此去除心电 上的表现和肌电信号传导在时间上的反映 (2)整流.由于表面肌电信号的正负幅值几乎 本研究取样周期大于神经纤维的动作电位时 长（一般历时约0.5~2.0ms)2-2排除颈部微动 相等，若对原始信号的值直接求平均会得到近似 为零的平均值，因此对信号进行全波整流，即信号 作干扰，在保证肌电信号时域信息不丢失的前提 下，本次数据处理采样时长取60s. 取其绝对值.整流后信号保留了肌电信号中所有 的信息，其图形变化能很好地的反映肌肉活动 iEMG= (1) 强度24
测夹肌，斜方肌和胸锁乳突肌[21−22] . 本次实验选取 颈部夹肌、胸锁乳突肌和肩部斜方肌作为测试对 象（位置如图 3 所示）. 1.4 实验过程及记录 实验开始前用去角质膏和酒精棉球擦拭相应 肌肉，去除皮肤表面角质和污垢，降低皮肤阻抗[23−24] . 待测量位置完全变干后，按照编号顺序贴电极片. 受试者保持颈部前屈姿势坐在海绵靠背座椅上， 玩手机. 所有的测试中，实验人员之间禁止互相交 流，避免出现相互干扰，实验场景如图 4. 2 实验结果 2.1 实验数据预处理 （1）心电去除. 在测试上肢肩部肌肉时，心电信 号（ECG）会对肌电信号造成干扰[23] ，因此去除心电. （2）整流. 由于表面肌电信号的正负幅值几乎 相等，若对原始信号的值直接求平均会得到近似 为零的平均值，因此对信号进行全波整流，即信号 取其绝对值. 整流后信号保留了肌电信号中所有 的信息，其图形变化能很好地的反映肌肉活动 强度[24] . （3）振幅标准化处理. 电极的摆放位置、皮肤 处理的好坏都会存在差异性. 通过归一化处理[25] 降低单个实验对象的重复实验之间或多个实验对 象实验结果之间的差异性. 本实验采用最大肌力 (max voluntary contraction，MVC) 进行标准化处理， 利用分析系统内置的 MVC 进行处理. 由于低头看手机并非剧烈运动，肌电信号变 化不明显，因此，需要对肌电信号进行处理才能提 取特征值. 2.2 sEMG 信号时域结果 时域分析常用的振幅参数包括积分肌电值、 平均整流肌电值、均方根值等. 本实验采用积分 肌电值分析. 肌电积分值（integral electromyographic， iEMG）是一定活动时间内，所有参与活动的运动 单位动作电位的放电总量大小[25] . iEMG 蕴含肌肉 活动的大量信息，包含有肌肉活动在能量（幅值） 上的表现和肌电信号传导在时间上的反映. 本研究取样周期大于神经纤维的动作电位时 长（一般历时约 0.5～2.0 ms） [26−28] . 排除颈部微动 作干扰，在保证肌电信号时域信息不丢失的前提 下，本次数据处理采样时长取 60 s. iEMG = ∑ N i=1 |Xi |= w T+60 T Xidt （1） 智能 手机 3.1~3.11指不同身体测量项目 3.11 3.10 3.9 3.7 3.6 3.3 3.2 3.4 3.1 3.5 图 2 人体坐姿尺寸图 Fig.2 Dimensional figure of human sitting posture 胸锁乳 突肌 右颈部 夹肌 右肩斜 方肌 左颈部 夹肌 左肩斜 方肌 图 3 实验肌肉测量位置 Fig.3 Experimental muscle measurement position 图 4 部分实验场景 Fig.4 Part of the experimental scenario 徐明伟等： 长时间颈部前屈对颈部肌肉疲劳的影响 · 1495 ·
·1496 工程科学学报，第41卷，第11期 式中：N为取样周期内点数；X,为表面肌电值：T为 始较小随后迅速变大，持续一段时间后又降低，继 取样开始时间，区间取60s:1为采样时间.对称肌 而又变大.对不同肌肉肌电信号的EMG明显变 肉取平均值 化的出现的时间进行统计，胸锁乳突肌EMG在 列出部分受试者的肌电积分值，其中图5(a)~ 16吐4min明显升高，颈部夹肌iEMG在第15±4min 5(c)为其中一名受试者胸锁乳突肌，颈部夹肌，肩 明显增大，肩部斜方肌EMG在第17±4min明显 部斜方肌的肌电积分值曲线.图5(d)~5(f), 增大.三块肌肉EMG再次出现明显增大的时刻 图5(g)~5(i),图5(j)~5(1)是另外三人肌电信 为第62±8min,82±10min,72±8min,检验水准 号EMG.从图5发现EMG具有明显的波动，初 a=0.05水平，概率P值如表1所示 2400 1800 w小 1500 1 1200 900 600 30 40 60 80 100120140160180 60 80 100120 140 60 180 1800 6) 2400 (e : (s-AHoW 800 600 120 140 160 180 120 40 160 180 3000 2000 2400 1800 1200 水此a 600 120140 160180 80100120140 160 180 2000 1600 1600 机e水 800 以以h 100120 140 60 80 100 120 60 1000 200 (S-zAn)/DW 900 800 (s.A/OW 6 800 00 120 160 180 120 40 60 8 1000 0 120 A 90 ewv-tosk 700 20 406080100120140160180 20 40 6080100120140160180 时间/min 时间min 图5不同肌肉肌电积分值.(a)1号受试者胸锁乳突肌：(b)1号受试者颈部夹肌：(c)1号受试者斜方肌：(@)2号受试者胸锁乳突肌肌：(e)2号受试 者颈部夹肌：（⑤2号受试者颈部夹肌：(g)3号受试者胸锁乳突肌：(）3号受试者颈部夹肌：（①3号受试者斜方肌：G)4号受试者胸锁乳突肌： k)4号受试者颈部夹肌：)4号受试者斜方肌 Fig.5 iEMG of different muscles:(a)sterocleidomastoid muscle of subject 1;(b)cervical clamp muscle of subject 1;(c)trapezius muscle of subject 1; (d)sternocleidomastoid muscle of subject 2;(e)cervical clamp muscle of subject 2;(f)cervical clamp muscle of subject 2;(g)sternocleidomastoid muscle of subject 3(h)cervical clamp muscle of subject 3.(i)trapezius muscle of subject 3.(j)sternocleidomastoid muscle of subject 4.(k)cervical clamp muscle of subject 4;(1)trapezius muscle of subject 4
式中：N 为取样周期内点数；Xi 为表面肌电值；T 为 取样开始时间，区间取 60 s；t 为采样时间. 对称肌 肉取平均值. 列出部分受试者的肌电积分值，其中图 5（a）～ 5（c）为其中一名受试者胸锁乳突肌，颈部夹肌，肩 部斜方肌的肌电积分值曲线 . 图 5（ d） ～ 5（ f） ， 图 5（g）～5（i），图 5（j）～5（l）是另外三人肌电信 号 iEMG. 从图 5 发现 iEMG 具有明显的波动，初 始较小随后迅速变大，持续一段时间后又降低，继 而又变大. 对不同肌肉肌电信号的 iEMG 明显变 化的出现的时间进行统计，胸锁乳突肌 iEMG 在 16±4 min 明显升高，颈部夹肌 iEMG 在第 15±4 min 明显增大，肩部斜方肌 iEMG 在第 17±4 min 明显 增大. 三块肌肉 iEMG 再次出现明显增大的时刻 为 第 62±8 min， 82±10 min， 72±8 min， 检 验 水 准 α=0.05 水平，概率 P 值如表 1 所示. 800 1200 1600 2000 900 1200 1500 1800 600 1200 1800 600 1200 1800 2400 3000 600 1200 1800 2400 800 1200 1600 2000 800 1200 1600 700 800 900 1000 800 1600 2400 3200 20 40 60 80 100 120 140 160 180 600 1200 1800 2400 700 800 900 1000 600 1200 1800 2400 (f) (d) (b) (c) (g) (j) (h) (k) iEMG/(μV2·s) iEMG/(μV2·s) iEMG/(μV2·s) iEMG/(μV2·s) iEMG/(μV2·s) iEMG/(μV2·s) iEMG/(μV2·s) iEMG/(μV2·s) iEMG/(μV2·s) iEMG/(μV2·s) iEMG/(μV2·s) iEMG/(μV2·s) (i) (a) 时间/min 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20 40 60 80 100 120 140 160 180 时间/min (l) (e) 图 5 不同肌肉肌电积分值. (a) 1 号受试者胸锁乳突肌；(b) 1 号受试者颈部夹肌；(c) 1 号受试者斜方肌；(d) 2 号受试者胸锁乳突肌肌；(e) 2 号受试 者颈部夹肌；(f) 2 号受试者颈部夹肌；(g) 3 号受试者胸锁乳突肌；(h) 3 号受试者颈部夹肌；(i) 3 号受试者斜方肌；(j) 4 号受试者胸锁乳突肌； (k) 4 号受试者颈部夹肌；(l) 4 号受试者斜方肌 Fig.5 iEMG of different muscles: (a) sternocleidomastoid muscle of subject 1; (b) cervical clamp muscle of subject 1; (c) trapezius muscle of subject 1; (d) sternocleidomastoid muscle of subject 2; (e) cervical clamp muscle of subject 2; (f) cervical clamp muscle of subject 2; (g) sternocleidomastoid muscle of subject 3; (h) cervical clamp muscle of subject 3; (i) trapezius muscle of subject 3; (j) sternocleidomastoid muscle of subject 4; (k) cervical clamp muscle of subject 4; (l) trapezius muscle of subject 4 · 1496 · 工程科学学报，第 41 卷，第 11 期
除明伟等：长时间颈部前屈对颈部肌肉疲劳的影响 1497. 表1EMG变化时间统计 Table 1 iEMG change time 肌肉部位 iEMG首次明显增大时刻/min t检验 EMG再次明显增大时刻min t检验 胸锁乳突肌 1614 P<0.05 62±8 P<0.05 颈部夹肌 15±5 P<0.05 82±10 P0.05 斜方肌 17±4 P<0.05 72±8 P<0.05 2.3sEMG信号频域结果 终将三块肌肉的MPF取平均值 当肌肉发生疲劳时，功率谱一般由高频向低 频漂移，平均功率频率(mean power frequency,.MPF) PE-Ps (2) 和中位频率(median frequency,MF)的值都呈下降 式中：PS()为sEMG信号的频谱；f、方为sEMG 趋势，而在实际应用中MP℉指标对肌肉活动状态 信号的频率范围；∫为采样频率。本研究取频率范 和功能状况的敏感性强于MF指标28-29因此，本 围为0~150Hz,以每分钟作为时间梯度，进行时- 研究采用MPF,设置窗口为60s,计算其MPF,最 频域分析，MPF如图6所示 颈部夹肌 免 胸锁乳突肌 肩部斜方肌 70 55 40 25 20 40 80100120140160 180 时间/min 图6不同肌肉的MPF Fig.6 MPF of different muscles 从图6中可以发现，不同肌肉的MPF有很大 如图7，在A、B区域均出现了MP℉导数负数 差异.经方差分析计算，颈部夹肌、胸锁乳突肌、 集聚区.MPF导数负数积聚越多，说明此时间区域 肩部斜方肌的MPF平均值分别为47.7、63、42.3 内肌肉疲劳程度越高.本研究设置窗口为5min, 胸锁乳突肌MPF>颈部夹肌MPF>肩部斜方肌MPF 取5min内MPF导数值的叠加值作为评判标准， 颈部夹肌，胸锁乳突肌，肩部斜方肌MP℉的标准 计算其负数聚集程度，结果如图8 差o分别为2.19、3.75、6.17，说明三块肌肉的MPF℉ 3讨论 具有不同的波动程度.从图6发现MPF呈现非线 性分布规律.在实验后期MPF值出现明显波动. 从时域分析统计结果分析，胸锁乳突肌EMG MPF的降低作为肌肉疲劳的标志，一般对 在16±4min明显升高，颈部夹肌iEMG在第15±4min MPF做线性回归分析，以回归直线斜率为负值表 明显增大，肩部斜方肌EMG在第17士4min明显 征肌肉发生疲劳31-2根据导数的几何意义，本 增大.说明三块肌肉的正MG值在20min左右均 研究提出对MPF曲线进行求导，将导数的正负值 出现明显增大趋势.根据王琳等B0研究的2h屈 作为判断疲劳的标志.这样即可解决静态肌肉疲 颈过程中EMG随时间的变化规律：EMG随时间 劳的非线性问题.对MP℉曲线进行求导，其导数 的增加而逐渐上升.随着屈颈持续时间的增加，肌 结果值如图7所示. 肉逐渐处于紧张状态，疲劳程度加重，参与动作的
2.3 sEMG 信号频域结果 当肌肉发生疲劳时，功率谱一般由高频向低 频漂移，平均功率频率（mean power frequency，MPF） 和中位频率（median frequency，MF）的值都呈下降 趋势，而在实际应用中 MPF 指标对肌肉活动状态 和功能状况的敏感性强于 MF 指标[28−29] . 因此，本 研究采用 MPF，设置窗口为 60 s，计算其 MPF，最 终将三块肌肉的 MPF 取平均值. MPF = w f2 f1 f ×PS(f) /w f2 f1 PS(f)d f （2） 式中：PS（ f）为 sEMG 信号的频谱； f1、f2 为 sEMG 信号的频率范围；f 为采样频率. 本研究取频率范 围为 0～150 Hz，以每分钟作为时间梯度，进行时− 频域分析，MPF 如图 6 所示. 从图 6 中可以发现，不同肌肉的 MPF 有很大 差异. 经方差分析计算，颈部夹肌、胸锁乳突肌、 肩部斜方肌的 MPF 平均值分别为 47.7、63、42.3， 胸锁乳突肌 MPF>颈部夹肌 MPF>肩部斜方肌 MPF. 颈部夹肌，胸锁乳突肌，肩部斜方肌 MPF 的标准 差 σ 分别为 2.19、3.75、6.17，说明三块肌肉的 MPF 具有不同的波动程度. 从图 6 发现 MPF 呈现非线 性分布规律. 在实验后期 MPF 值出现明显波动. MPF 的降低作为肌肉疲劳的标志 ，一般 对 MPF 做线性回归分析，以回归直线斜率为负值表 征肌肉发生疲劳[13, 17−21] . 根据导数的几何意义，本 研究提出对 MPF 曲线进行求导，将导数的正负值 作为判断疲劳的标志. 这样即可解决静态肌肉疲 劳的非线性问题. 对 MPF 曲线进行求导，其导数 结果值如图 7 所示. 如图 7，在 A、B 区域均出现了 MPF 导数负数 集聚区. MPF 导数负数积聚越多，说明此时间区域 内肌肉疲劳程度越高. 本研究设置窗口为 5 min， 取 5 min 内 MPF 导数值的叠加值作为评判标准， 计算其负数聚集程度，结果如图 8. 3 讨论 从时域分析统计结果分析，胸锁乳突肌 iEMG 在 16±4 min 明显升高，颈部夹肌 iEMG 在第 15±4 min 明显增大，肩部斜方肌 iEMG 在第 17±4 min 明显 增大. 说明三块肌肉的 iEMG 值在 20 min 左右均 出现明显增大趋势. 根据王琳等[30] 研究的 2 h 屈 颈过程中 iEMG 随时间的变化规律:iEMG 随时间 的增加而逐渐上升. 随着屈颈持续时间的增加，肌 肉逐渐处于紧张状态，疲劳程度加重，参与动作的 表 1 iEMG 变化时间统计 Table 1 iEMG change time 肌肉部位 iEMG首次明显增大时刻/min t检验 iEMG再次明显增大时刻/min t检验 胸锁乳突肌 16±4 P<0.05 62±8 P<0.05 颈部夹肌 15±5 P<0.05 82±10 P<0.05 斜方肌 17±4 P<0.05 72±8 P<0.05 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 平均功率频率/Hz 时间/min 颈部夹肌 胸锁乳突肌 肩部斜方肌 图 6 不同肌肉的 MPF Fig.6 MPF of different muscles 徐明伟等： 长时间颈部前屈对颈部肌肉疲劳的影响 · 1497 ·